Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ, НАПРИМЕР, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО, ПРОСТРАНСТВЕННОГО, АКТИВНОГО ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛОВ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ - Патент РФ 2145446
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ, НАПРИМЕР, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО, ПРОСТРАНСТВЕННОГО, АКТИВНОГО ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛОВ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ, НАПРИМЕР, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО, ПРОСТРАНСТВЕННОГО, АКТИВНОГО ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛОВ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ, НАПРИМЕР, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО, ПРОСТРАНСТВЕННОГО, АКТИВНОГО ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛОВ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение используется в радиотехнике. Способ оптимальной передачи сообщений заключается в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, согласованной фильтрации электрических сигналов источника, их усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, передаче этих сигналов через канал со случайными параметрами в точку приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал, передаче этого сигнала к месту обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов и дополнительных электрических сигналов для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают в канал со случайными параметрами до точки приема сообщений. Частным случаем предлагаемого способа являются способ оптимального звуковоспроизведения и способ оптимального пространственного активного понижения уровня сигналов любой физической природы. Система содержит источник сигнала и канал звуковоспроизведения в виде усилителя низкой частоты и громкоговорителя, связанных последовательно, зондирующего устройства, блока обработки сигналов и линии связи. Блок обработки сигналов выполнен с возможностью формирования на его выходе дополнительных сигналов для активного шумопонижения. Изобретение повышает точность передачи информации. 4 с. и 15 з.п.ф-лы, 7 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2145446
Класс(ы) патента: G10K11/00, H04R3/04
Номер заявки: 97116014/28
Дата подачи заявки: 29.09.1997
Дата публикации: 10.02.2000
Заявитель(и): Ефремов Владимир Анатольевич
Автор(ы): Ефремов В.А.
Патентообладатель(и): Ефремов Владимир Анатольевич
Описание изобретения: Изобретение относится к кибернетике и может быть использовано, например, в радиотехнике.
Предшествующий уровень техники
Известен способ передачи сообщений в канале со случайными параметрами, например в радиоканале, заключающийся в обработке принимаемых сигналов с использованием корреляционных методов. Недостаток способа в том, что требуется знание многомерных законов распределения или корреляционных функций, описывающих сообщение и помехи. Способ применим для сообщений и помех, поддающихся математическому моделированию в виде стационарных случайных процессов.
Известен способ звуковоспроизведения и система для его осуществления, заключающийся в согласованной фильтрации электрического сигнала источника, усилении, преобразовании усиленного электрического сигнала источника в звуковой сигнал, его излучении, приеме и преобразовании в точке прослушивания совокупного звукового сигнала - прямых и переотраженных звуковых волн излученного сигнала источника, а также звуковых волн помех и шумов в электрический сигнал прослушивания, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника и прослушивания, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов (RU, A 2038704).
Данный способ звуковоспроизведения позволяет повысить точность воспроизведения сигнала в точке прослушивания за счет автоматических предыскажений амплитудно-частотных параметров сигнала источника в соответствии с искажениями амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) канала передачи звуковой информации.
Недостатки:
1) способ и система позволяют осуществлять шумопонижение только на частотах и в моменты времени звуковоспроизведения сигналов;
2) система для осуществления способа должна комплектоваться источником сигнала с нормированными выходными характеристиками;
3) система не позволяет осуществлять корректирование фазочастотной характеристики (ФЧХ) сигнала;
4) система не позволяет получать локализацию звуков в окружающем слушателя пространстве с правдоподобным эффектом "объемного" звучания;
5) система не позволяет осуществлять индивидуальную коррекцию амплитудно-частотной характеристики, фильтрацию помех и шумов источника сигнала в режиме автоматической оптимизации звуковоспроизводимых сигналов.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создать такие способы и системы для их осуществления, которые позволяют повысить точность передачи информации в канале со случайными параметрами, например повысить качество звуковоспроизведения с учетом помех и шумов, изменения формы, объема, акустических свойств помещения, местоположения громкоговорителей, местоположения точки прослушивания, ориентации в точке прослушивания головы слушателя, искажений в источнике сигнала, особенностей слухового восприятия звуковых давлений частот, несовершенства АЧХ и ФЧХ усилителей низкой частоты и громкоговорителей, и, таким образом, понизить среднеквадратическое отклонение (СКО) сигнала в системе, например, повысить эффективность шумопонижения в точке прослушивания, точно корректировать громкость, сбалансированность, амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики звуковоспроизводимого в точке прослушивания сигнала, расширить зону действия эффекта "объемного" звучания и повысить точность локализации звуков по отношению к слушателю.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе звуковоспроизведения, заключающемся в согласованной фильтрации электрического сигнала источника, усилении, преобразовании усиленного электрического сигнала источника в звуковой сигнал, его излучении, приеме и преобразовании в точке прослушивания совокупного звукового сигнала - прямых и переотраженных звуковых волн излученного сигнала источника, а также звуковых волн помех и шумов в электрический сигнал прослушивания, передача принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника и прослушивания, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, согласно изобретению формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в звуковые сигналы и излучают до точки приема совокупного звукового сигнала.
Поставленная задача решается тем, что в известной системе звуковоспроизведения, содержащей источник сигнала и канал звуковоспроизведения, выполненный в виде усилителя низкой частоты и громкоговорителя, связанных последовательно, зондирующего устройства, блока обработки сигналов, выполненного с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника, линии связи, при этом выход зондирующего устройства посредством линии связи подключен к первому входу блока обработки сигналов, ко второму входу блока обработки сигналов подключен выход источника сигнала, а выход блока обработки сигналов связан со входом усилителя низкой частоты, согласно изобретению блок обработки сигналов выполнен с возможностью формирования на его выходе дополнительных сигналов для активного шумопонижения в точке установки зондирующего устройства.
Возможны варианты реализации системы, чтобы:
источник сигнала был выполнен с по крайней мере одним дополнительным выходом для многоканального звуковоспроизведения, дополнительно введен соответственно числу дополнительных выходов источника сигнала по крайней мере один дополнительный канал звуковоспроизведения, выполненный в виде дополнительного усилителя низкой частоты и дополнительного громкоговорителя, связанных последовательно, а также дополнительное зондирующее устройство, дополнительный блок обработки сигналов, выполненный с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника и формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, дополнительной линии связи, выход дополнительного зондирующего устройства посредством дополнительной линии связи подключен к первому входу дополнительного блока обработки сигналов, дополнительный выход источника сигнала подсоединен ко второму входу дополнительного блока обработки сигналов, выход дополнительного блока обработки сигналов связан с входом дополнительного усилителя низкой частоты;
источник сигнала был выполнен с возможностью коммутации выходных сигналов для изменения порядка их подключения к каналам звуковоспроизведения;
дополнительно был введен генератор сигнала, подключенный к третьему входу блока обработки сигналов;
дополнительно был введен генератор сигнала, подключенный к третьему входу блока обработки сигналов и третьему входу дополнительного блока обработки сигналов;
блок обработки сигналов, линия связи, зондирующее устройство, дополнительный блок обработки сигналов, дополнительная линия связи, дополнительное зондирующее устройство были функционально объединены в блок оптимальной обработки сигналов для поблочной комплектации системы;
блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов были выполнены в виде многоканального аналогово-цифрового преобразователя, ЭВМ с программным обеспечением и многоканального цифроаналогового преобразователя, связанных последовательно, при этом число входов аналогово-цифрового преобразователя в два раза больше, а число каналов цифроаналогового преобразователя равно числу каналов звуковоспроизведения;
источник сигнала был выполнен с возможностью регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах;
источник сигнала был выполнен с возможностью шумопонижения;
источник сигнала был выполнен с возможностью автоматического регулирования уровней его выходных сигналов;
источник сигнала был выполнен с возможностью автоматического регулирования уровней и неавтоматического регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах;
источник сигнала был выполнен с возможностью регулирования уровней сигналов на его выходах для регулирования уровня громкости в точке прослушивания;
зондирующее устройство и дополнительное зондирующее устройство или линия связи и дополнительная линия связи были выполнены с возможностью регулирования коэффициента передачи для регулирования уровня громкости в точке прослушивания;
регулирование коэффициентов передач было выполнено тонкомпенсированным;
блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов были выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных или фазочастотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для оптимизации энергетических или временных параметров сигналов;
блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов были выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для полнопараметрической оптимизации сигналов.
Поставленная задача решается с помощью способа активного понижения уровня сигналов любой физической природы, заключающегося в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала для активного понижения уровня сигнала, его усилении, преобразовании в сигнал той же физической природы и излучении до точки пространства приема сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе передачи сообщений в канале со случайными параметрами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, согласованной фильтрации электрических сигналов источника, их усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, передаче этих сигналов через канал со случайными параметрами в точку приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, согласно изобретению формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают в канал со случайными параметрами до точки приема сообщений.
В основу изобретения положены принципы согласованной фильтрации сигналов при передаче сообщений в канале со случайными параметрами и принцип согласованного с параметрами помех и шумов синтеза дополнительных сигналов, позволяющих осуществлять активное понижение уровня сигналов (т.е. этих шумов и помех) в точке приема сообщения.
Режимы согласованной фильтрации и синтеза дополнительных сигналов обеспечиваются за счет использования обратной связи, например акустической и специальной обработки сигналов.
В основе обработки сигналов лежит принцип последовательного осуществления процессов измерения текущих значений параметров сигналов и передачи сообщений в скорректированной на основании результатов анализа параметров сигналов форме.
Указанные действия автоматизированы.
В отличие от известных звуковоспроизводящих систем в предлагаемой системе оптимального звуковоспроизведения осуществляется оптимизация предыскажений - согласованная фильтрация сигналов источника и оптимизация параметров дополнительно синтезируемых сигналов. В результате звукоизлучения предыскаженных сигналов источника и дополнительно синтезированных сигналов в точке прослушивания звуковые колебания повторяют звуковые колебания первоисточников звуков с максимально возможной точностью, то есть оптимально.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятны во время последующего рассмотрения приведенных ниже возможных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 поясняет способ оптимального звуковоспроизведения.
Фиг. 2 изображает функциональную схему одноканальной системы оптимального звуковоспроизведения.
Фиг. 3 изображает функциональную схему многоканальной (стерео) системы оптимального звуковоспроизведения.
Фиг. 4 изображает то же, что на фиг. 2, с дополнительным узлом - генератором сигналов.
Фиг. 5 изображает то же, что на фиг. 3, с дополнительным узлом - генератором сигналов.
Фиг. 6 - пример выполнения полнопараметрического блока обработки сигналов.
Фиг. 7 поясняет принцип активного шумопонижения.
Лучший вариант осуществления изобретения
При звуковоспроизведении в специально неприспособленном помещении, например в жилой комнате, салоне автомобиля, каюте корабля и т.д., возникают искажения сигнала, вызванные рядом причин.
Помещение звуковоспроизведения может иметь различную форму, объем и акустические свойства. Акустические свойства помещения могут изменяться, например положение штор, дверей или форточек может быть различным.
В помещении слушатель может случайным образом разместить громкоговорители, а также произвольно выбрать место прослушивания и ориентацию головы в месте прослушивания.
Вследствие указанных факторов в точке прослушивания появляются линейные искажения сигнала: частотные, фазовые и переходные.
Частотные искажения являются следствием многолучевости прихода в точку прослушивания звуковых волн: прямых и переотраженных. Для различных частот в точке прослушивания может наблюдаться как увеличение громкости сигналов по отношению к громкости на других частотах при синфазном приходе волн, так и ослабление громкости при противофазном сложении колебаний прямых и переотраженных звуковых волн. В результате нарушаются реальные соотношения между амплитудами компонентов сложного колебания и изменяется спектр информационного сигнала.
Субъективно данные искажения проявляются в ненатуральности звучания музыкальных сигналов, например появляются бубнящие с непропорционально высокой интенсивностью низкочастотные звуки, возникает разбалансированность в громкости звучания инструментов или вокала на отдельных нотах, речь становится неразборчивой.
Неравномерность АЧХ сигнала в точке прослушивания может достигать порядка +- 1030 dB и более, что сравнимо с динамическим диапазоном большинства музыкальных сигналов.
Фазовые искажения появляются в результате изменений временных задержек прихода звуковых колебаний между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала. Например, находясь под различным углом к многополосной акустической системе (колонке) с пространственно разнесенными, например, низкочастотным, среднечастотным и высокочастотным громкоговорителями, слушатель будет воспринимать звуковые колебания с различными фазовыми сдвигами в области низких, средних и высоких частот. В результате в точке прослушивания искажается форма звукового сигнала. Данные искажения в наибольшей степени заметны при пространственном разнесении громкоговорителей в салоне автомобиля. Субъективно искажения воспринимаются как запаздывания, например, низкочастотных компонентов, звук становится пространственно неопределенным. Наиболее заметное влияние на верность восприятия музыкальных сигналов фазочастотные искажения оказывают в многоканальных системах звуковоспроизведения. Искажения оказывают сильное отрицательное психофизиологическое, эмоциональное воздействие на слушателей с высокой музыкальной культурой или образованием, хорошим слухом и музыкальной памятью. Искаженное звуковоспроизведение раздражает слушателя несоответствием воспринимаемой "звуковой картины" хранящимся в его памяти образам реальных "звуковых картин", которые он получил обучаясь в музыкальной школе или посещая концертные выступления музыкантов. Систематическое прослушивание звуковых, музыкальных сигналов, имеющих сильные искажения, а также разочарование в нереалистичности воспроизведения звуков на дорогостоящей аппаратуре могут привести к заболеваниям нервной системы слушателя и стать причиной ухудшения слуховых, музыкальных и эстетических возможностей человека.
Переходные искажения для помещения прослушивания принято определять временем реверберации, как интервал в течение которого общая энергия сигнала уменьшается в миллион раз против первоначальной величины при отсутствии другой звуковой энергии в этом пространстве.
В процессе звуковоспроизведения в помещении прослушивания возможно появление вторичных помех и шумов. Например, при высокой громкости могут появляться вторичные помехи и шумы в виде дребезга стекол, посуды, декоративных панелей и других ненадежно закрепленных предметов. Возбуждаясь колебаниями полезных сигналов, эти предметы могут создавать дополнительные звуки, искажающие форму звукового сигнала в точке прослушивания.
Кроме того, в помещении звуковоспроизведения могут присутствовать внешние по своей природе происхождения помехи и шумы, например шум с улицы, из-за стен смежных помещений, шумы отопительной или осветительной систем, шум работающего двигателя или других систем автомобиля и т.д.
Уровень внешних шумов составляет порядка 30 - 70 dB, а в ряде случаев, например при езде на кабриолете, может достигать опасных для здоровья человека значений порядка 90 - 100 dB.
Таким образом, помещение звуковоспроизведения как неотъемлемое звено любого тракта пространственно-звуковоспроизводящей системы вносит значительные искажения и ухудшает в целом качество звуковоспроизведения всей системы.
Искажения, вносимые помещением, имеют случайную природу и обусловлены множеством случайных обстоятельств. Поэтому при математическом моделировании звуковые сигналы в точке прослушивания могут быть представлены как нестационарный, неэргодический, многомерный случайный процесс.
При решении задачи оптимизации звуковоспроизведения необходимо учитывать искажения, вносимые всеми звеньями звуковоспроизводящего тракта: источник сигнала - усилитель низкой частоты - громкоговоритель - помещение - слушатель.
В настоящее время созданы способы записи, записывающие устройства, носители информации и источники сигнала, уровень искажений которых соизмерим или даже меньше разрешающей способности человеческого слуха регистрировать эти искажения. Например, лучшие образцы проигрывателей компакт дисков (CD), созданные с использованием методов цифровой обработки сигналов, позволяют получать практически предельное качество сигналов на их выходе. Дальнейшее улучшение электрических параметров источников сигналов, например уменьшение нелинейных искажений ниже 0,01% или увеличение динамического диапазона свыше 120 dB, не имеет для человека практического смысла, поскольку эти улучшения становятся для слушателя незаметными.
Основными направлениями усовершенствования источников сигналов и носителей информации являются миниатюризация конструкций, повышение экономичности, уменьшение массы, увеличение времени воспроизведения, улучшение эргономичности конструкций.
Искажения, вносимые лучшими образцами усилителей низкой частоты, также малы. Дальнейшее улучшение электрических параметров лучших образцов усилителей низкой частоты становится практически незаметным на слух даже для экспертов из числа ведущих дирижеров оркестров, певцов и музыкантов с абсолютным слухом.
Усилия разработчиков усилителей низкой частоты направлены в основном на увеличение КПД, уменьшение массогабаритных показателей, повышение надежности работы усилителей низкой частоты.
Искажения, вносимые лучшими образцами громкоговорителей, существенно превышают уровень искажений, вносимых источником сигналов и усилителем низкой частоты.
Для комплексного решения задачи оптимизации звуковоспроизведения необходимо учитывать и компенсировать искажения сигнала, возникающие во всех элементах тракта звуковоспроизведения.
Комплексно не решив задачу оптимизации звуковоспроизведения, бессмысленно классифицировать качество бытовых звуковоспроизводящих систем, поскольку слушателю неважно в каком звене тракта звуковоспроизведения произошли искажения, а ему важно услышать звуковой сигнал, по форме отличающийся от первоисточника на гарантированную в соответствии с классом качества работы звуковоспроизводящей системы величину.
Функциональный метод исследования естественных событий в области звуковоспроизведения и классификация звуковоспроизводящих систем, в соответствии с которыми в настоящее время осуществляется условное деление на группы (классы) звуковоспроизводящей аппаратуры по техническим (электрическим) показателям ее основных элементов, не годится для бытовых звуковоспроизводящих систем. Классификация качества звуковоспроизводящей аппаратуры только с учетом собственных электрических показателей блоков аппаратуры, показателей, характеризующих свойства и структуру блоков системы, не затрагивающих связей и отношений между блоками системы и внешним окружением, влияющим на процессы в системе, не вполне правомерна и вводит в заблуждение потребителя относительно реально осуществимого качества пространственного звуковоспроизведения в бытовых условиях эксплуатации аппаратуры.
Очевидно, что с точки зрения слушателя определяющим параметром, например, амплитудно-частотных искажений должен быть норматив на неравномерность АЧХ сигнала в точке прослушивания как показатель, напрямую характеризующий качество звуковоспроизведения, а не нормативы на неравномерность АЧХ отдельных блоков и элементов в звуковоспроизводящей системы, таких как усилитель, громкоговоритель и т.д., являющиеся параметрами, косвенно определяющими качество звуковоспроизведения.
Традиционный, функциональный подход к оценке качества звуковоспроизведения правомерен в соответствующих условиях, в специальных студийных условиях (в безэховых камерах). Другими словами, постоянные параметры качества можно применять по отношению к стационарным или в крайнем случае к квазистационарным процессам, когда дестабилизирующие факторы незначительно изменяют (искажают) звуковые сигналы и эти искажения не регистрируются (не ощущаются) человеком, а в системах со случайными, сильно изменяющимися параметрами необходимо использовать иные принципы выбора параметров и критериев при классификации систем.
Таким образом, случайная природа происхождения сильных искажений звуковых сигналов объективно требует признать, что качество современных бытовых звуковоспроизводящих систем, в том числе и аппаратуры, так называемого HI-FI и HIgh-End классов, следует определять как класс случайного "качества" воспроизведения звуков, когда, например, АЧХ сигнала в точке прослушивания бытового помещения или салона автомобиля может достигать +- 1030 dB, а наиболее вероятное соотношение сигнал/шум (помеха) не превосходит, как правило, 5 - 30 dB.
Общему ухудшению качества звуковоспроизведения также способствуют некоторые алгоритмы звуковой обработки сигналов, осуществляемые с помощью процессоров, например, в дискретно-переключаемых фильтрах, широко распространенных минисистем или, например, в системах матричного кодирования Dolby Surround для многоканального звукового сопровождения телепередач или видеофильмов в "домашнем кинотеатре".
Действительно, применение алгоритмов линейных преобразований сигналов с фиксированными параметрами этих преобразований по отношению к сигналам, параметры которых могут изменяться во времени случайным образом, в принципе, не может улучшить качество (достоверность) звуковых сигналов и приводит к росту искажений (росту энтропии). Подобные преобразования сигналов лишены логических обоснований их использования как алгоритмов обработки, повышающих качество звуков для слушателя.
Покажем, что использование в бытовых звуковоспроизводящих системах ступенчато-переключаемых фильтров не правомерно.
Согласно каталогу фирмы PHILIPS (стр. 14) за 1997 г. использование в составе своей аппаратуры подобного узла фирма обосновывает следующими аргументами: "При помощи волшебной кнопки SOUND (кнопка включения цифрового процессора звука) вы можете создать то настроение, которого вам хочется. И вы не просто услышите его: вы его ощутите. Оно охватывает вас...". Далее приводятся графики АЧХ фильтра, соответствующие его состоянием POP, CLASSIC, JAZZ, ROCK, VOCAL, а также пояснения типа: "для поп-музыки процессор звука настроен на воспроизведение звучных басов и энергичных высоких нот. Как видно из графика, усиливаются, в основном, частоты из диапазона 100 - 200 Гц". При этом слушателю предлагается в процессе работы звуковоспроизводящей системы переключать фильтр в соответствующий звуковому сигналу режим работы.
В отношении подобных устройств можно отметить следующее.
Во-первых, условное деление всевозможных звуковых сигналов на конечное множество жанров будет приводить к несоответствию спектров реальных сигналов жестко фиксированной амплитудно-частотной характеристике соответствующего фильтра, например спектральные компоненты баса мужчины или певицы, исполняющей вокальную партию на высоких нотах, могут отличаться на несколько октав, а при инструментальном исполнении различных классических произведений различие спектров сигналов может быть еще большим.
Во-вторых, непонятен критерий, по которому слушатель мог бы до начала воспроизведения сигнала определить его принадлежность к тому или иному жанру, например при прослушивании радиопередач. Слушателю потребуется некоторое время, а также определенная музыкальная культура для определения на слух музыкального жанра, к которому следует отнести звуковой сигнал. Слушателю необходимо отвлекаться от прослушивания для переключения фильтра, в связи с чем ухудшится эмоционально-эстетическое восприятие звуковой информации. Подобные переключения фильтра будут вызывать раздражение у слушателя потому, что такие действия являются утомительной работой.
В-третьих, маловероятно, что в процессе звуковоспроизведения слушатель будет уподобляться автомату и оперативно заниматься переключением фильтра, и, как следствие, он будет прослушивать сигналы в сильно искаженном виде.
В-четвертых, маловероятно, что звукорежиссеры, работающие на студиях звукозаписей, не в состоянии с помощью студийной аппаратуры на стадии подготовки фонограмм ввести требуемые предыскажения АЧХ сигнала.
И наконец, в-пятых, непонятна сама научная основа подобного подхода.
Можно предположить, что идея создания ступенчато-переключаемых фильтров как "квазисогласованных" с параметрами сигналов фильтров была основана на обобщенной теории линейной фильтрации Колмогорова-Винера для решения задачи повышения отношения сигнал/шум. Однако применение положений этой теории, в основном ориентированной для решения задач в радиосвязи, для задачи повышения качества звуковоспроизведения в бытовых условиях, строго говоря, не правомерно, так как данная теория справедлива для стационарных случайных процессов, а, как уже отмечалось, в бытовых условиях звуковоспроизведения приходится иметь дело с нестационарными случайными процессами. Кроме того, для синтеза оптимального, согласованного с параметрами сигналов и помех фильтра необходимо знать спектр полезного сигнала, спектр помехи и коэффициент ослабления канала передачи информации. Ступенчато-переключаемые фильтры не выполняют функции подобных устройств.
В силу указанных причин представляется также малоэффективным использование для оптимизации сигналов плавно-перестраиваемых фильтров - графических эквалайзеров. Очевидно, что слушатель, будучи даже профессиональным звукорежиссером или музыкантом не в состоянии на слух оптимально отфильтровать спектральные составляющие помех различного уровня с требуемой точностью, например компенсировать амплитудно-частотные искажения сигнала, возникающие в таких элементах тракта звуковоспроизведения, как усилитель низкой частоты, громкоговоритель, помещение, поскольку отсутствует критерий проведения подобных ручных регулировок (в инструкциях по пользованию аппаратурой не указываются критерии установки ручек эквалайзеров), а также возможны различные произвольные вариации регулировок АЧХ сигналов.
Системы матричного кодирования исторически возникли для оптимизации звуковоспроизведения в больших залах кинотеатров. Необходимость многоканального звуковоспроизведения в кино объясняется тем, что по отношению к экрану часть зрителей обычно расположена не в центре зала, поэтому при двухканальном звуковоспроизведении для них происходит соответствующее смещение кажущегося источника звуков. В последнее время получили распространение различные модификации систем матричного кодирования, позволяющие имитировать различные акустические свойства помещений и место локализации звуков по отношению к слушателю. Указанные эффекты и им соответствующие алгоритмы обработки сигналов слушатель выбирает сам исходя из собственных, случайных критериев, например из любопытства. Как будет звучать симфонический оркестр в акустическом оформлении, напоминающем звуки в подвальном помещении или на стадионе?
Таким образом, используя системы матричного кодирования, слушатель получает в "домашнем кинотеатре" звуковую информацию в сильно искаженном виде.
Искажающий эффект превносит цифровая компрессия сигналов как способ увеличения отношения сигнал/шум в некоторых моделях автомобильных магнитол.
Сопоставление основных принципов кибернетики Норберта Винера с современными методами, используемыми в звуковоспроизведении показывает несоответствие этих методов при записи (вводе), обработке и выводе звуковой информации.
Современные звуковоспроизводящие системы, в том числе и так называемых HI-FI и HIgh-End классов, являются простейшими нецеленаправленно работающими машинами. С их помощью принципиально недостижимо оптимальное звуковоспроизведение, т.е. звуковоспроизведение с высоким качеством сигнала.
Для того чтобы оптимизировать звуковоспроизведение, необходимо усовершенствовать все этапы: ввода; обработки и вывода звуковой информации в соответствии с общеизвестными принципами кибернетики.
В соответствии с принципами кибернетики под высококачественным пространственным звуковоспроизведением следует понимать такое звуковоспроизведение, при котором звуковые колебания, воздействующие на органы слуха, точно повторяют звуковые колебания первоисточников звуков, действовавшие ранее на этого человека или его виртуальный образ - его мнимое перемещение по оси времени назад.
Данное определение не противоречит принципам смежности, сходства, причины и следствия, логики, и требует для его осуществления наличия основных элементов высокоорганизованной системы (машины): датчиков информации; блока ее обработки и соответствующих алгоритмов этой обработки; устройств вывода информации.
Из принципа причинно-следственной связи следует, что для высококачественного звуковоспроизведения от источника сигнала, информация на выходе которого представлена в виде электрических сигналов (в аналоговой форме - в виде функций времени амплитуды напряжения или тока, в цифровой форме - в виде двоично-кодированной цифровой последовательности сигналов) необходимо, во-первых, точно ввести звуковую информацию в систему. На выходе источника сигнала потери информации должны быть сведены к минимуму.
Наибольшее правдоподобие вводимой информации может быть обеспечено посредством микрофона-головы. В идеальном случае должна использоваться голова слушателя. С небольшими, практически нерегистрируемыми среднестатистическим слушателем искажениями, например в аппаратуре начального уровня правдоподобия, может использоваться макет головы некоторого усредненного слушателя, например макет головы Баха или современного певца или дирижера.
В аппаратуре высокого уровня правдоподобия возможно также введение параметрического ряда, например размера головы в соответствии с общепринятыми стандартами головных уборов или иные критерии персонификации вводимой информации на носителях CD, MD и т.д.
Для искусственно синтезированной звуковой информации, т. е. звуков, созданных режиссером звукозаписи посредством многоканальных электрических сигналов с произвольным использованием линейных и нелинейных методов их обработки и которые никогда не существовали в природе в виде "звуковой картины", в соответствии с принципом причины и следствия постановка задачи высококачественного звуковоспроизведения видоизменяется, поскольку нельзя найти логически обоснованный критерий и точно ввести, обработать и воспроизвести (вывести) звуки (информацию), никогда не существовавшие в природе.
Для искусственно синтезированных звуковых сигналов правомерна постановка задачи виртуального высококачественного звуковоспроизведения, реализующая максимально точно, в соответствии с электрическими сигналами источника (носителя) сигналов (информации), режиссерское представление о форме им искусственно созданной в процессе обработки звуковых сигналов "звуковой картины".
Во-вторых, обработка звуковой информации в системе со случайными параметрами требует оперативного во времени анализа и сопоставления по определенным критериям параметров сигналов от источника, которые можно считать "идеальными" или опорными сигналами, и искаженных сигналов - сигналов в точках прослушивания.
В соответствии с принципами сходства и смежности сопоставлять и анализировать можно параметры и характеристики сигналов, имеющих одинаковую форму и физический смысл. Электрические сигналы могут иметь аналоговую, дискретную или цифровую форму. Сравнение сигналов должно осуществляться в одинаковой форме. Например, если сравниваются два гармонических колебания, точнее колебания по форме близкой к гармоническим колебаниям, то в качестве сравниваемых параметров могут быть выбраны: частота, длительность, амплитуда, задержка во времени начала этих колебаний относительно некоторого момента времени (для колебаний одинаковой частоты указанный параметр может иметь смысл начальной фазы этих колебаний или полной фазы - временного сдвига на время, большее длительности периода). Колебания можно также сравнивать по производным от указанных параметров характеристикам: по мощности или энергии. Сложные колебания, состоящие из большого числа элементарных компонентов общепринято сравнивать сопоставляя их энергии - проинтегрировав спектральные плотности энергии сигналов. Подобное сравнение сигналов сложной формы позволяет осуществлять их сопоставление в усредненном виде.
Воспользовавшись общеизвестными принципами представления сложных сигналов в виде рядов или интегралов Фурье, можно сравнивать соответствующие по частоте спектральные компоненты (гармоники) по указанным выше параметрам и различным критериям. Подобное сравнение сигналов сложной формы можно считать полнопараметрическим, полностью описывающим информацию, содержащуюся в "идеальных" и искаженных сигналах. Цифровые сигналы можно анализировать путем сопоставления значений (чисел) дискретизированных во времени и квантованных по уровню сигналов.
Очевидно, что имея в результате анализа соответствующих параметров сигналов их текущие значения, которые обозначим в самом общем виде символами A и B, можно путем соответствующей обработки этих данных найти величину их несоответствия друг другу, например величину их разности. Зная величину ошибки C и используя, например, метод регулирования с отрицательной обратной связью, можно ввести соответствующую коррекцию "идеального" сигнала по соответствующему параметру, преобразовав его в "идеальный - предыскаженный" сигнал.
В дальнейшем "идеальный - предыскаженный" сигнал, пройдя через элементы звуковоспроизводящей системы, преобразуется в искаженный сигнал, который по соответствующему параметру становится идентичен "идеальному".
С учетом того что человек имеет два органа слуха, целесообразно в качестве базовой модели использовать двухканальную (двухсигнальную) систему ввода, обработки и вывода звуковых сигналов.
Таким образом, двухканальный блок обработки сигналов должен обрабатывать и выявлять (вычислять) различия в параметрах опорных ("идеальных") и искаженных за счет всей совокупности случайных факторов сигналов.
Искаженные сигналы, регистрируемые микрофонами специального устройства - зондирующего устройства, в точках прослушивания (в точках пространства вблизи органов слуха) по отношению к оптимальной звуковоспроизводящей системе являются сигналами обратной связи, без которых, как известно, невозможно создать оптимальное техническое решение - высокоорганизованную машину.
Необходимость введения в систему зондирующего устройства можно обосновать следующей трактовкой принципа сходства (подобия).
Если электрические сигналы первоисточников звука - "идеальные" сигналы по форме точно повторяют электрические сигналы на выходе зондирующего устройства, то (с учетом ряда дополнительных условий и оговорок, о которых более подробно ниже) это означает, что акустические колебания при звуковоспроизведении точно повторяют акустические колебания первоисточников звуков.
Если указанные электрические сигналы различаются, то различаются и акустические сигналы, и для повышения качества (точности) звуковоспроизведения необходимо скорректировать (подогнать) "идеальный" сигнал так, чтобы различие между "идеальным" и искаженным сигналами свести к минимально возможной величине, в идеале к нулю, т.е. осуществить параметрическую оптимизацию сигналов.
В-третьих, для того чтобы осуществить эту параметрическую оптимизацию и в конечном счете сформировать правдоподобные звуковые сигналы, необходимо в тракт звуковоспроизведения между источником сигнала и усилителем низкой частоты ввести некоторое устройство, связанное с блоком обработки сигналов, - управляемый, согласованный с параметрами сигналов фильтр - оптимальный фильтр.
Характеристики этого фильтра, например комплексный коэффициент передачи, должны быть функционально зависящими от искажающих факторов в усилителе низкой частоты, громкоговорителе, линиях связи, помещении и оперативно в автоматическом режиме перестраиваться в соответствии с выявленными искажениями сигналов.
При автоматической коррекции всех возможных параметров сигналов или их компонентов, определяющих параметры комплексного коэффициента передачи этого фильтра, оптимальный фильтр можно назвать полнопараметрическим или каноническим, при автоматической коррекции одного из параметров оптимальный фильтр можно назвать параметрическим оптимальным фильтром.
При оптимизации энергетических параметров возможна ситуация, когда разница между соответствующими параметрами может оказаться близкой по величине к одному из них.
Например, на определенных частотах или во всей полосе звуковых частот энергия полезного, информационного сигнала за время анализа может быть равна нулю, а энергия звукового сигнала в точке прослушивания и следовательно энергия электрического искаженного сигнала может быть отличной от нуля. Данная ситуация является типичной для звуковоспроизведения в бытовых, специально неприспособленных помещениях при наличии внешних акустических помех и шумов. Очевидно, что в данном случае, кроме как методами активного шумоподавления, невозможно добиться равенства энергетических параметров "идеального" и искаженного параметров. Другими словами, необходимо любым из возможных способов осуществить в соответствующей полосе частот излучение дополнительных сигналов, которые в точках прослушивания должны быть противофазны по отношению к акустическим шумам и помехам.
Если в автоматическом режиме в нужное время и на определенных частотах осуществлять излучение дополнительных сигналов и их параметрическую оптимизацию исходя из критерия равенства амплитуд и противофазности компонентов этих сигналов, т.е. критерия равенства нулю энергии совокупного сигнала, являющегося суперпозицией акустических помех и дополнительно излученных сигналов, то возможно повышение отношения сигнал/шум при звуковоспроизведении в помещении с высоким уровнем акустических помех и шумов.
Из предыдущего следует, что при длительном отсутствии сигнала источника может быть обеспечен режим активного, пространственно-локализованного снижения уровня акустических шумов и помех, например, для водителя автотранспортного средства, когда он не желает прослушивать информативные звуковые сигналы от источника, а также шумы от двигателя и других систем автомобиля, а хочет находиться в тишине.
Понятно, что изложенный выше частный случай более широкой задачи может быть объектом самостоятельного изобретения.
Моменты времени, когда должно включаться и соответственно выключаться активное шумопонижение, должны быть функционально зависящими от текущего соотношения сигнал/шум в соответствующих частотных поддиапазонах анализа энергетических спектров "идеальных" и искаженных сигналов. Указанное отношение сигнал/шум (помеха) может определяться аппаратными, программными или программно-аппаратными средствами в зависимости от выбранной формы анализа и обработки сигналов: в аналоговой, цифровой (дискретной), комбинированной, с использованием "универсального вычислителя, например широко распространенной ПЭВМ - IBM PC или с использованием специализированных микропроцессорных систем управления, аналоговых автоматизированных систем управления и т.д.
Для осуществления эффективного понижения уровня акустических шумов и помех формирование дополнительных сигналов должно осуществляться из искаженных сигналов, принятых непосредственно в точке прослушивания, а не в других точках пространства, например вблизи источников излучения этих шумов.
При высоких отношениях сигнал/шум подгонка сигнала в точке прослушивания под "идеальный" сигнал может осуществляться без активного шумопонижения только за счет согласованной фильтрации "идеального" сигнала. В этом режиме у оптимального фильтра может изменяться АЧХ и ФЧХ.
При низких отношениях сигнал/шум, например, когда энергия шумов в несколько раз превосходит энергию полезного сигнала, путем активного шумопонижения можно оптимизировать энергетические параметры сигнала в точке прослушивания, т.е. АЧХ сигнала. Оптимизация ФЧХ сигнала в точке прослушивания при низких отношениях сигнал/шум невозможна, поэтому точность "преобразования" шумов в "идеальный" сигнал не может быть сколь угодно высокой и определяется конкретными характеристиками полезных сигналов, шумов, постоянной времени регулирования и др. параметрами.
Таким образом, для конкретной акустической ситуации, динамических изменений характеристик сигналов, скорости саморегуляции системы существует некоторое пороговое соотношение сигнал/шум, ниже которого точность соответствия "идеальных" сигналов и сигналов в точках прослушивания будет ниже наперед заданной величины.
Существенным обстоятельством при оптимизации звуковоспроизведения является случайный характер задержки, которую претерпевает искаженный сигнал по отношению к "идеальному". Величина этой задержки для типовых условий звуковоспроизведения определяется, в основном, временем прохождения звуковых колебаний от громкоговорителя до слушателя и составляет величину, например, порядка 0,01 - 0,005 с.
Как уже отмечалось, задержка во времени компонентов сигналов может быть различной и является случайной величиной. Очевидно, что узнав каким-либо образом указанные задержки сигналов и их компонентов и найдя относительное смещение во времени компонентов относительно друг друга, можно затем ввести соответствующую коррекцию во временной области "идеального" сигнала и его компонентов, например, с помощью дискретно-переключаемых линий задержки, как элементов фазовой корректировки в оптимальном фильтре. При использовании цифрового метода обработки сигналов знание указанных задержек позволяет методами цифровой фильтрации осуществить аналогичную процедуру фазовой коррекции "идеального" сигнала. Действительно, зная два сигнала как функции времени напряжения на выходе источника сигнала и на выходе зондирующего устройства можно их дискретизировать по времени и отквантовать по уровню в соответствии с теоремой Котельникова и с помощью аналогово-цифровых преобразователей. Далее, осуществив многополосную цифровую фильтрацию сигналов посредством цифровых фильтров, можно для различных частотных полос анализа с помощью цифрового корреляционного анализа найти задержки компонентов сигнала.
Таким образом, для осуществления оптимального звуковоспроизведения необходимо иметь возможность коррекции "идеального" сигнала непосредственно в процессе звуковоспроизведения, используя согласованную фильтрацию сигнала в аналоговой или (дуально) в цифровой форме.
Для нахождения случайных задержек сигналов и их компонентов можно использовать следующие методы: а) метод синхронизации с дополнительным сигналом синхронизации, б) пороговый метод синхронизации, в) корреляционный метод.
Метод синхронизации с дополнительным сигналом синхронизации заключается в том, что в процессе звуковоспроизведения в тракт прохождения сигнала, например на выходе источника сигнала наряду с "идеальным", информационным сигналом вводят сигнал синхронизации. Этот сигнал может иметь различную форму. Например, в качестве этого сигнала могут быть пачки высокочастотных звуковых колебаний частотой 30 - 100 кГц. Основными требованиями к этим сигналам должны быть: отсутствие помех от этих сигналов в диапазоне восприятия человеком внешних излучений, высокая помехозащищенность этих сигналов. Формирование сигналов во времени может осуществляться одноразово в начале звуковоспроизведения или в течение всего времени звуковоспроизведения в виде периодически формируемых, например с периодом 10 или 60 с, старт-стопных синхронизирующих сигналов. Излучение подобных сигналов может осуществляться высокочастотными динамиками громкоговорителей или дополнительными пьезоизлучателями, установленными на громкоговорителях.
С помощью данного метода может быть определена абсолютная величина задержки "идеального" сигнала для каждого из каналов звуковоспроизведения. Зная значение временных задержек сигналов, можно осуществить временную коррекцию для синхронизации моментов прихода звуковых волн в точки прослушивания и повышения точности психофизиологического восприятия места локализации звуков слушателем.
Указанный метод не позволяет определять задержки компонентов сигналов и следовательно не позволяет реализовывать алгоритмы фазочастотной оптимизации сигналов. Метод требует ограничения уровня сигналов синхронизации для исключения побочного психофизиологического воздействия на слушателя. Этот метод может быть использован для параметрической оптимизации сигналов.
Нахождение задержек сигналов можно также осуществлять используя пороговый метод синхронизации. Данный метод заключается в том, что "идеальный" и искаженный сигнал или их соответствующие компоненты анализируются по уровню относительно заданного порога, например относительно номинального (94 dB) по уровню -20 dB или -30 dB. Пороговый уровень в зависимости от сложности системы может быть задан априорно и оставаться неизменным, а может варьироваться и устанавливаться самой системой в соответствии с текущими изменениями параметров сигналов и алгоритмом функционирования системы. Если уровень сигналов превышает пороговый, то принимается решение о появлении сигнала или соответственно о его окончании во временной области анализа.
Данный метод отличается от синхронизации с дополнительным сигналом тем, что задержка определяется не путем анализа во временной области дополнительных сигналов синхронизации, а непосредственно по самим звуковым сигналам. Кроме того, данный метод позволяет определять задержки компонентов сигналов и, следовательно, позволяет реализовывать различные алгоритмы фазочастотной оптимизации сигналов и, в частности, полнопараметрическую оптимизацию. Действительно, для каждого частотного поддиапазона анализа могут быть найдены соответствующие задержки компонентов сигналов и, следовательно, введена необходимая корректировка сигналов во временной (фазовой) области.
Недостатком этого метода является высокая вероятность ошибки при нахождении задержки за счет шумов и помех, когда осуществляется процесс звуковоспроизведения на малой громкости. Необходима организация специальных мер и алгоритмов для уменьшения вероятности появления аномальных ошибок при вычислении задержек. Понятно, что указанные алгоритмы могут быть основаны на усреднении во временной области значений задержек и, следовательно, приведут к повышению инерционности системы при ее самоадаптации в условиях помех и шумов. Преимуществом данного метода является простота аппаратурной реализации, отсутствие специальных требований к излучающей и звукоулавливающей аппаратуре (громкоговорителям, зондирующим устройствам).
Нахождение задержек сигналов и их компонентов при корреляционном методе анализа сигналов представляет собой следующий алгоритм выполнения операций над сигналами. Один из сигналов - "идеальный" - задерживают в параллельных ветвях с некоторым шагом во времени, например, посредством линий задержек с общим входом.
Полученные, таким образом, задержанные "идеальные" сигналы подают на первые входы перемножителей. На вторые входы перемножителей подают искаженный сигнал. Перемноженные сигналы пропускают через фильтры низких частот для фильтрации высших гармоник этой нелинейной операции. Далее отфильтрованные сигналы сравнивают между собой по уровню. Сигнал наибольшего уровня соответствует наибольшей корреляции (совпадению) "идеального" и искаженного сигналов, а ему соответствующая задержка в линии является, фактически, текущей задержкой сигнала в тракте звуковоспроизведения. Для компонентного анализа сигналов задержанные на оптимальное время компоненты сигналов затем можно просуммировать и получить широкополосный фазочастотно-скорректированный сигнал. В этом сигнале компоненты будут смещены друг относительно друга настолько, насколько они подверглись противоположному относительному смещению при прохождении через все элементы тракта звуковоспроизведения: усилитель низкой частоты, громкоговоритель, помещение прослушивания. В точке прослушивания компоненты акустического сигнала будут воспроизводиться в форме компонентов акустического сигнала первоисточников звуков, т.е. высококачественно.
Преимущество корреляционного метода определения оптимальных задержек сигналов и их компонентов над пороговым методом будет наиболее ощутимо при низком отношении сигнал/шум и при относительно малом числе полос анализа, т.к. в широкой полосе анализа, например шириной в октаву, одновременно могут присутствовать гармоники различных частот, а сам сигнал на выходе широкополосного фильтра может иметь сложную форму. Если число полос велико и сигналы на выходе этих фильтров приближаются к гармоническим колебаниям, то с целью упрощения аппаратуры обработки сигналов и алгоритмов этой обработки можно вместо корреляционного метода обработки сигналов использовать более простой пороговый метод синхронизации. При цифровом методе обработки сигналов с использованием, например, ЭВМ целесообразно использовать корреляционный метод фазочастотной оптимизации сигналов.
Понятно, что, используя перечисленные методы обработки сигналов и выбирая возможные параметры для оптимизации сигналов, можно получить большое множество функциональных схем и алгоритмов обработки сигналов. Однако вышеизложенное позволяет выделить существенные признаки способа звуковоспроизведения и ему соответствующих узлов, объединенных по определенным связям в пространственную звуковоспроизводящую систему.
Способ оптимального звуковоспроизведения можно сформулировать в следующем виде.
Способ оптимального звуковоспроизведения, заключающийся в согласованной фильтрации электрического сигнала источника, усилении, преобразовании усиленного электрического сигнала источника в звуковой сигнал, его излучении, приеме и преобразовании в точке прослушивания совокупного звукового сигнала - прямых и переотраженных звуковых волн излученного сигнала источника, а также звуковых волн помех и шумов в электрический сигнал прослушивания, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника и прослушивания, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, отличающийся тем, что формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в звуковые сигналы и излучают до точки приема совокупного звукового сигнала.
Данная формулировка позволяет в качестве существенных признаков способа как процесса выполнения действий над материальными объектами (электрическими и акустическими сигналами) использовать вышеизложенную последовательность действий, целесообразность выполнения и содержание которых уже обоснованы выше.
Существенное отличие предложенного способа звуковоспроизведения от традиционных, широко используемых в настоящее время способов заключается в согласованной фильтрации электрического сигнала источника. В отличие от ступенчато-переключаемых фильтров, эквалайзеров с ручным управлением и других устройств с процессорной обработкой сигналов, позволяющих осуществлять несогласованную фильтрацию сигналов по случайным критериям, согласованная фильтрация как действие над сигналами понимается в самом широком смысле ее интерпретации, т. е. как коррекция любых возможных параметров сигналов по логически обоснованным, объективным критериям.
Обработка электрических сигналов источника и сигнала прослушивания в способе не наполняется конкретным содержанием, т.е. в способе не раскрываются алгоритмы этой обработки. Возможные алгоритмы обработки сигналов и соответствующие структурные схемы устройств целесообразно описать в пунктах формулы изобретения устройств оптимального звуковоспроизведения. Возможные варианты устройств будут приведены ниже.
Признак "согласованная фильтрация" подчеркивает, что, несмотря на возможную цифровую форму обработки электрических сигналов, оптимизация звуковоспроизведения осуществляется в реальном масштабе времени, непосредственно в процессе восприятия слушателем звуковой информации.
Новым отличительным признаком предложенного способа как объекта изобретения является формирование дополнительных электрических сигналов для активного шумопонижения, их усиление, преобразование в звуковые сигналы и излучение. В предложенном способе эти действия сочетаются с согласованной фильтрацией сигналов. Более детально процесс формирования дополнительных сигналов будет рассмотрен на примерах описания работы вариантов выполнения устройств.
В соответствии с положениями кибернетики Норберта Винера признак "оптимальный" подчеркивает принадлежность способа и соответствующей системы для его реализации к классу целенаправленно работающих машин, т.е. машин высшей формы организации. Другими словами, к классу оптимальных машин. Эти машины позволяют наилучшим образом решать соответствующие задачи. Технический результат максимален по соответствующим показателям или характеристикам. Например, обеспечение максимума соотношения сигнал/шум, минимума СКО или минимума уровня шума и т.д. Точность работы определяется текущими характеристиками канала передачи информации и конкретными техническими характеристиками аппаратурной части системы (машины). Указанная точность определяется по объективным критериям (например, минимум СКО) и не зависит от субъективных факторов, связанных с участием человека в процессе работы системы. Точность оптимизации текущих значений сигналов, предназначенных для осуществления соответствующих функций - согласованной фильтрации и шумопонижения, никак не связана, таким образом, с текущей способностью человека принимать решения по выбору "оптимальных" параметров и регулировок в системе. Суть оптимального способа раскрывается совокупностью и функциональными связями других существенных признаков формулы изобретения.
В соответствии с вышеизложенным способом оптимального звуковоспроизведения можно считать идеальным оптимальным звуковоспроизведением или звуковоспроизведением с предельным уровнем качества такое звуковоспроизведение, когда в процессе прослушивания сигналов человек не в состоянии отличить сигнал прослушивания от сигнала первоисточника, т.е. точность соответствия друг другу электрических сигналов прослушивания и сигналов источника выше разрешающей способности человека регистрировать все возможные виды подобных несоответствий (искажений), а также улавливать на слух переходные процессы во время корректировки системой звуковых сигналов.
Предложенная формулировка способа звуковоспроизведения вносит новый смысл в понятие класса качества звуковоспроизводящей системы.
В системах с динамично изменяющимися случайным образом параметрами в отличие от детерминированных систем или систем со случайными процессами (стационарными) и неизменяющимися во времени статистическими параметрами понятие класса качества приобретает иной смысл - это способность системы более эффективно и оперативно во времени выявлять и устранять несоответствие между параметрами сигналов, один из которых является опорным.
Звуковоспроизводящая система будет более высокого класса качества по отношению к другой, если она, например, будет иметь больший динамический диапазон (более высокую мощность усилителя низкой частоты и громкоговорителей), более высокую степень разрешения в частотной области анализа сигналов, т.е. большее число частотных полос анализа, более прямоугольную форму их АЧХ, более совершенный алгоритм обработки сигналов, позволяющий при прочих равных условиях добиваться более эффективного и быстрого во времени шумопонижающего эффекта для различных спектров сигналов и помех, отношений сигнал/шум в полосе звуковоспроизведения.
Согласно классификации, предложенной Норбертом Винером, высшей формой организации материальных объектов, в частности звуковоспроизводящих систем (т.е. классом качества или группой сложности), можно считать целенаправленно работающую, полнопараметрическую, экстраполирующую (предсказывающую по всем возможным параметрам), самообучающуюся, т.е. самостоятельно синтезирующую оптимальный алгоритм обработки сигналов для конкретных условий звуковоспроизведения и в соответствии с этим алгоритмом оптимальным образом осуществляя согласованную фильтрацию и формирование дополнительных сигналов для активного шумопонижения, звуковоспроизводящую систему с обратной связью.
Самообучение звуковоспроизводящей системы позволяет реализовать оптимальную систему с высоким уровнем "интеллекта", пригодную практически к любым условиям звуковоспроизведения.
Важно отметить, что звуковоспроизводящая система высокого уровня организации может сама в процессе работы синтезировать оптимальный порядок выполнения действия над сигналами и в конечном счете усовершенствовать на уровне алгоритма способ оптимальной обработки сигналов в зависимости от конкретных условий звуковоспроизведения.
Очевидно, что звуковоспроизводящие системы высшей формы организации, как и высокоорганизованные машины для решения других задач, могут быть реализованы с использованием вычислительного узла с достаточно высоким быстродействием и объемом памяти. Наилучшим образом для этих целей могут подойти современные персональные компьютеры. Значительная часть потребителей имеет ЭВМ подобного класса. Дополнив основные элементы традиционной звуковоспроизводящей аппаратуры (источник сигналов, усилитель низкой частоты (УНЧ), громкоговорители) дополнительными элементами: устройством ввода сигналов (АЦП), устройством вывода сигналов (ЦАП), ЭВМ с программным обеспечением, выполняющей функции согласованной фильтрации и формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, а также зондирующими устройствами и линиями связи, пользователь может поблочно объединить эти устройства в систему оптимального звуковоспроизведения. Постепенно заменяя программное обеспечение, ЭВМ и другие элементы системы, можно по мере их совершенствования также постепенно повышать класс качества системы. При указанной комплектации системы появляется возможность "на кончиках пальцев", точнее на "кончиках" идей, не меняя массы, объема аппаратурной части, существенно повышать качество звуковоспроизведения.
Данный подход в звуковоспроизведении соответствует глобальной научно-технической тенденции мультимедиа.
Вышеизложенные принципы высококачественного звуковоспроизведения могут быть представлены в символьном виде - в виде математических формул (теории) оптимального звуковоспроизведения (передачи информации).
Проиллюстрируем вышеизложенный способ звуковоспроизведения с использованием модели каскадного соединения и описания работы анализируемых, укрупненных компонентов системы.
Обозначим U(t) - звуковые колебания первоисточников звуков, воздействующие на орган слуха человека, т.е. звуковые колебания первоисточников звуков в точке прослушивания.
Установив в точке прослушивания микрофон, обозначим на его выходе напряжение сигнала u(t).
Сигнал u(t) может быть ретранслирован сразу или записан и размещен на носителе информации (на магнитной ленте, компактдиске (CD), минидиске (MD) и т. д. ). Через некоторое время Δt сигнал u(t) может быть преобразован в источнике сигнала (усилитель, радиоприемник, проигрыватель и т.д.) в напряжение источника сигнала uист(t).
Для здорового человека с двумя работоспособными органами слуха точная регистрация (запись) звуковых сигналов возможна при двухканальном преобразовании звуковых колебаний для точек прослушивания правым и левым ухом в электрические сигналы
Электрическим сигналам на выходах микрофонов во время записи будут соответствовать электрические сигналы источника ("идеальные")
Если считать, что при преобразовании звуковых колебаний в электрические сигналы, записи информации на носитель, хранении, преобразовании информации в электрические сигналы в источнике отсутствуют линейные и нелинейные искажения, а собственный коэффициент шума устройств равняется нулю (другими словами, на указанных этапах обработки сигналов исключены искажения и потеря информации), то сигнал на выходе источника сигнала можно представить в виде (1), (2).
uист(t) = K·u(t-Δt) (1)
(2)
где K, Kп, Kл - коэффициенты, не зависящие от u(t), uп(t), uл(t).
Выражения (1) и (2) являются условием неискаженного ввода информации для одного или двух каналов (требованием к энергетическим и временным параметрам сигналов).
Поскольку при звуковоспроизведении форма звуковых сигналов может быть любого вида, то сигналы uист(t), uист.п(t), uист.л(t) можно представить в виде интегралов Фурье (3), (4)
(3)
(4)
где спектральные функции сигналов, определяемые согласно преобразованиям (5), (6) (для любого символа функции считается, что )
(5)
(6)
Если в помещении прослушивания осуществляется звуковоспроизведение сигналов источника uист(t) или то на выходе зондирующего устройства электрический сигнал прослушивания обозначим u'(t) или
Сигналу прослушивания соответствует его спектральная функция или которую можно определить с помощью преобразований Фурье.
Используя каскадную модель описания процесса звуковоспроизведения, в которой последовательно включены как четырехполюсники: усилитель низкой частоты и громкоговоритель, к выходу которого одним из входов подсоединен шестиполюсник (сумматор), являющийся моделью, позволяющей формально учесть влияние помещения прослушивания и зондирующего устройства, а на второй вход которого поступает помеха со случайными, априорно неизвестными параметрами, спектр сигнала прослушивания можно представить в виде (7)

где - спектр сигнала источника,
- комплексный коэффициент передачи усилителя низкой частоты,
- комплексный коэффициент передачи громкоговорителя,
- комплексный коэффициент передачи помещения звуковоспроизведения,
- комплексный коэффициент передачи зондирующего устройства,
- приведенная ко входу приемного элемента зондирующего устройства спектральная функция (напряжения) помех (связанная с сигналом источника помеховая составляющая: гармонические составляющие, появляющиеся вследствие нелинейности таких элементов тракта, как усилитель низкой частоты, громкоговоритель; вторичные помехи, появляющиеся в помещении прослушивания в виде дребезга плохо закрепленных предметов - панелей, стекол и т.д., а также реверберационные искажения - многократные повторы сигналов источника, и некоррелированные с сигналом источника помехи - внешние акустические помехи, например шум из-за стен соседней квартиры, шум улицы и т.д.).
Можно видеть, что спектр сигнала прослушивания будет равен спектру сигнала источника при выполнении операций согласно тождеству (8)

Выражение, заключенное в квадратных скобках формулы (8), представляет собой комплексный коэффициент передачи согласованного с параметрами элементов тракта звуковоспроизведения и зондирующего устройства фильтра. Выражение для комплексного коэффициента передачи согласованного фильтра определяется выражением (9)

Выражение (9), для удобства интерпретации комплексного коэффициента передачи согласованного фильтра, можно представить в виде двух сомножетелей (10)
(10)
Физический смысл выражения (10) заключается в том, что для осуществления согласованной фильтрации между источником сигнала и усилителем низкой частоты необходимо включить корректирующий фильтр, имеющий комплексный коэффициент передачи, определяемый по формуле (11)

а для компенсации искажений приемного элемента зондирующего устройства необходимо установить на его выходе корректирующий фильтр с комплексным коэффициентом передачи, определяемым по формуле (12)

В рамках данной модели описания звуковых сигналов можно показать, что отличие сигналов, получаемых на стадии записи первоисточников звуков от формально приведенных ко входу микрофонов сигналов определяется передаточной характеристикой, имеющей физический смысл, аналогичный комплексному коэффициенту передачи зондирующего устройства
Понятно, что если одно и то же зондирующее устройство использовать в одном случае для записи сигналов (вводе информации), а в другом случае при звуковоспроизведении в качестве зондирующего устройства, то указанные комплексные коэффициенты могут не учитываться, поскольку они определяют систематические ошибки при вводе информации, которые взаимокомпенсируются при звуковоспроизведении.
На практике достаточно сложно на аппаратурном и методологическом уровне осуществлять подобную индивидуальную схему ввода звуковой информации и обработки сигналов. Поэтому целесообразно скорректировать характеристики "микрофона-головы" и зондирующего устройства по единому принципу, например путем коррекции АЧХ и приведения ее формы к плоской АЧХ и соответственно приведения формы ФЧХ к линейной. Таким образом, возможный разбаланс электрических характеристик микрофонов зондирующего устройства может быть установлен на стадии калибровки в специальных студийных условиях (в безэховой камере).
Из сравнения выражений (7) и (8) также следует, что для оптимального звуковоспроизведения необходимо сформировать в точке расположения приемного элемента зондирующего устройства (в точке прослушивания) дополнительные звуковые сигналы, имеющие противофазные составляющие по отношению к составляющим акустических помех и шумов и равные модули.
Дополнительные звуковые сигналы могут быть сформированы в точке прослушивания как с помощью вспомогательного канала звуковоспроизведения, содержащего вспомогательный усилитель низкой частоты и громкоговоритель, так и с использованием основных: усилителя низкой частоты и громкоговорителей. Последний вариант более предпочтителен по экономическим соображениям.
При описании звуковоспроизведения в рамках модели покаскадного учета влияния элементов тракта звуковоспроизведения отсутствует ясный физический смысл некоторых формально введенных комплексных коэффициентов передачи: громкоговорителя и помещения
Строго говоря, при пространственном звуковоспроизведении помещение влияет не только на восприятие звучания громкоговорителей слушателем, но и на работу самих источников звука, так как отраженные звуковые волны попадают и на них - изменяется частотная характеристика громкоговорителей.
С учетом указанного обстоятельства корректней было бы формально ввести общий комплексный коэффициент передачи элементов тракта: громкоговоритель - помещение При этом приведенная ко входу зондирующего устройства спектральная функция сигнала может быть представлена в виде а приведенная ко входу зондирующего устройства спектральная функция помех соответственно Тогда в соответствии с принципом суперпозиции звуковых сигналов для точки прослушивания результирующая, приведенная ко входу зондирующего устройства спектральная функция может быть представлена в виде и соответственно спектральная функция сигнала прослушивания на выходе зондирующего устройства будет определяться выражением (13)

Выражения (7) и (13) могут быть также применены при решении других кибернетических задач и оптимизации процессов информационного восприятия человеком сигналов другой физической природы, другими органами чувств, например, в оптическом (видео) диапазоне частот, с соответствующей заменой микрофонов зондирующего устройства на видеокамеры или видеодатчики сигналов визуального восприятия. В формулах (7) и (13) в рамках выбранной математической модели приводятся параметры и характеристики канала передачи информации, число которых в общем случае может быть любым, соответственно числу выбранных элементов канала передачи информации. Однако практическая ценность выделения и анализа элементов тракта звуковоспроизведения невелика, поскольку для нестационарных и неэргодических случайных процессов некоторые коэффициенты передач элементов тракта и спектральные функции сигналов и помех являются функционально зависящими от времени. Поэтому при решении указанных задач не имеет принципиального значения точное знание всех физических процессов и их взаимного влияния в каждом элементе тракта передачи информации.
При незнании закономерностей протекания физических процессов или при невозможности получения необходимой информации априорно данного класса задачи могут быть решены только путем подгонки соответствующих параметров текущего процесса под параметры некоторого опорного процесса. Весь тракт передачи информации можно рассматривать как "черный ящик", внутренняя структура и параметры которого неизвестны, а только известно, что его влияние сводится к случайному изменению уровней и фаз компонентов полезного, информативного сигнала, и появлению помех, характеристики которых в общем случае также случайны.
Искажающее влияние "черного ящика" можно компенсировать с помощью "белого ящика", включенного в сигнальную цепь (в тракт звуковоспроизведения). При этом необходимо как можно быстрей экспериментально подобрать параметры "белого ящика" так, чтобы нейтрализовать влияние "черного ящика".
Указанная подготовка параметров "белого ящика" - суть согласованная фильтрация и формирование дополнительных сигналов для активного шумопонижения акустических помех и шумов.
Место включения "белого ящика" в сигнальную цепь определяется по экономическим соображениям. Подобные устройства целесообразно устанавливать в слаботочных цепях, например между источником сигнала и усилителем низкой частоты.
Отметим ряд моментов общего характера, которые целесообразно учитывать при разработке конкретных алгоритмов работы звуковоспроизводящих систем в рамках предложенного способа звуковоспроизведения.
Наиболее простые алгоритмы обработки сигналов по экономическим соображениям целесообразно реализовывать аппаратными средствами - в системах начального или среднего уровня качества звуковоспроизведения. Например, при использовании относительно небольшого числа полос анализа, порядка 5 - 10 шт., целесообразно для согласования энергетических параметров применять автоматические эквалайзеры, а для оптимизации задержек во времени соответствующие устройства, реализованные аппаратными средствами.
Наиболее сложные алгоритмы обработки сигналов с большим количеством выполняемых операций и им соответствующих элементарных модулей (фильтров, линий задержек, перемножителей, сумматоров, инверторов, схем сравнения, коммутаторов и т.д.) целесообразней использовать в цифровой аппаратуре или использовать виртуальные элементарные модули - соответствующие подпрограммы при алгоритмизации процесса обработки с использованием ЭВМ.
Действительно, для реализации полнопараметрической обработки в двухканальной системе и использовании, например, 50 полос анализа, при числе дискретных задержек во временной области порядка 200, общее число элементарных модулей системы может составить порядка 200000 - 400000 шт. Стоимость подобной системы, реализованной с использованием аналоговых устройств, может многократно превысить стоимость стандартных устройств ввода и вывода информации и ПЭВМ.
При использовании цифровых методов обработки с использованием ЭВМ аппаратурная реализация блока обработки сигналов ("белого ящика") оптимальной звуковоспроизводящей системы строится по общеизвестной обобщенной функциональной схеме в виде последовательно соединенных: устройства ввода, обработки и ввода информации (сигналов).
Функциональная схема "белого ящика", раскрывающая суть обработки информации, должна содержать следующие компоненты и связи между ними.
Во-первых, "белый ящик" как в аналоговом, так и в цифровом исполнении должен иметь по крайней мере два входа и один выход. На один из входов должен поступать сигнал с выхода источника сигнала, на другой - искаженный сигнал - сигнал прослушивания.
Во-вторых, информационный сигнал источника в общем случае должен разветвляться внутри "белого ящика" на две ветви, выходы которых подключены к входам управляемого переключателя, выход которого является выходом "белого ящика".
Одна из ветвей "белого ящика" должна быть выполнена в виде неискажающей сигнальной линии.
Сигнальная линия должна иметь постоянную АЧХ и линейную ФЧХ в полосе частот обработки сигнала. Учитывая, что любой реальный сигнал, проходя по линии, имеет задержку на ее выходе по отношению ко входному сигналу, сигнальную линию можно также назвать широкополосной линией задержки. Величину задержки сигнала в данной линии целесообразно выбрать равной времени прохождения сигнала по второй ветви для обеспечения режима синхронизации сигналов на выходах этих ветвей, т.е. по входам управляемого переключателя. В противном случае при переключении управляемого переключателя возможно появление сдвига сигнала во временной области в виде дополнительных искажений сигнала - пропадания его части или повторения части сигнала в точке прослушивания.
В качестве другой ветви должен использоваться аналоговый автомат или вычислительный блок, например ПЭВМ или специализированная ЭВМ.
Для согласования с ЭВМ сигналов с выхода источника сигнала и сигнала прослушивания необходимо преобразовать их из аналоговой формы в цифровой сигнал соответствующего стандарта. Для этих целей можно использовать стандартные аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Сигнал на выходе блока обработки сигналов ("белого ящика"), предназначенный для подключения ко входу усилителя низкой частоты, должен иметь аналоговую форму. Поэтому в устройстве "белого ящика" с цифровой обработкой сигнала необходимо иметь также цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), например стандартный ЦАП.
Возможны различные варианты выполнения функциональных схем с использованием указанных элементов. Например, можно предложить вариант с наименьшим числом функциональных узлов (канонический) в виде общего канала АЦП по входу двух ветвей, отдельный канал АЦП для другого входа, который будет преобразовывать в цифровой сигнал искаженный аналоговый сигнал с выхода линии связи. Неискажающую сигнальную линию (линию задержки) в первой ветви и управляемый переключатель целесообразно реализовать программными средствами, а на выходе ЭВМ следует установить ЦАП, сигнал с выхода которого должен быть подключен ко входу усилителя низкой частоты.
Возможны и другие варианты реализации и объединения указанных элементов. Например, в качестве линии задержки можно использовать цифровую линию задержки, реализованную аппаратным способом или установить ЦАП на выходе линии задержки и выходе ЭВМ, при этом управляемый переключатель выполнить в виде аппаратно реализованного электронно-управляемого коммутатора (мультиплексора), управляемого с дополнительного выхода ЭВМ и служащего для коммутации аналоговых сигналов ветвей.
Возможны и другие эквивалентные функциональные схемы реализации блока обработки сигналов.
Таким образом, в двухканальном (стерео) варианте реализации системы необходимо в качестве входного согласующего устройства (устройства ввода информации) использовать двухканальный АЦП, входы которого подключаются к выходам источника сигналов, а выход ко входу ЭВМ, и двухканальный АЦП, ко входам которого подключаются сигналы с выходов линий связи, а выход ко входу ЭВМ. Другими словами, устройство ввода должно представлять собой четырехканальный АЦП. На выходе ЭВМ должен быть установлен двухканальный АЦП для подключения к усилителям низкой частоты.
Использование двух ветвей прохождения и обработки сигналов необходимо и достаточно для реализации полнопараметрической оптимальной обработки сигналов в реальном масштабе времени.
При реализации неполнопараметрической оптимальной обработки сигналов, например при реализации согласованной фильтрации только по одному параметру - энергетическому, первая ветвь и управляемый переключатель могут быть исключены. При реализации согласованной фильтрации путем оптимизации только временных задержек сигналов или их компонентов необходимо использовать две ветви прохождения сигналов.
Указанные ветви предназначены для организации двух режимов работы системы звуковоспроизведения. В первом режиме сигнал проходит через линию с априорно известной задержкой, затем через все последующие элементы тракта звуковоспроизведения с неизвестной задержкой. В точке прослушивания сигнал представляет собой искаженный сигнал прослушивания. Этот режим является вспомогательным и необходим для зондирования канала звуковоспроизведения в текущий отрезок времени и создания условий, при которых возможно получение достоверной информации об искажениях сигналов.
Вторая ветвь служит для организации ввода информации об искаженном сигнале прослушивания и опорном сигнале источника, т.е. отрезков реализаций этих сигналов, анализа этих сигналов, организации режима согласованной фильтрации, формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, суммирования предыскаженного сигнала источника и дополнительных сигналов. Указанный суммарный сигнал является выходным сигналом и, например, через программно-управляемый переключатель поступает на выходное устройство блока обработки сигналов - ЦАП, и далее на вход (входы) усилителя низкой частоты.
Целесообразность данного метода организации работы блока обработки сигналов ("белого ящика") обосновывается следующими соображениями.
В теории дискретных и цифровых сигналов одним из основных параметров является параметр Tс - длительность сигнала. Для человека как получателя ("приемника") пространственных звуковых сигналов, которые обозначим символами F(t), формально является временной отрезок от момента рождения до смерти. Поэтому при решении конкретных кибернетических задач, т.е. задач синтеза оптимальных машин, позволяющих достигать максимальной эффективности деятельности человека в пространстве и времени, например задачи повышения качества звуковоспроизведения (задачи синтеза оптимальной, звуковой машины времени в прошлое), следует соответствующим образом адаптировать формальный математический аппарат теории дискретных и цифровых сигналов, чтобы общее решение задачи соответствовало условиям физической реализуемости и приемлемости для человека - элемента оптимальной системы "человек - машина". Другими словами, необходимо найти условия согласования принципов работы и параметров функционирования машин с психофизиологическими особенностями человека воспринимать, обрабатывать и выводить информацию (делать заключения, сопоставления, принимать решения, двигаться и т.д.).
В общем виде решение кибернетических задач данного класса (задач оптимизации параметров неэргодических и нестационарных случайных процессов, используя параметры других - опорных процессов) может быть найдено с помощью следующего подхода.
Воспользуемся ранее введенными обозначениями формализованных компонентов звуковоспроизводящей системы в модели каскадного их соединения и символьным представлением звуковых сигналов, воспринимаемых человеком в течение жизни, в виде функции F(t), где F(t) ≡ 0 при tр ≥ t ≥ tсм (фиг. 1).
Для определенности постановки задачи будем полагать, что на интервале времени между tр и tсм будет расположен хотя бы один временной интервал [t1; t2] между моментами времени t1 - начала и t2 - конца звуковых сигналов F(t), которые должны по возможности максимально точно повторять звуковые сигналы первоисточников звуков той же длительности Tс = t2 - t1 (эффект Доплера не учитываем как маловероятный для данной задачи), но существовавшие ранее во временной области. Другими словами, цель решения задачи - синтез оптимального алгоритма обработки сигналов.
Отметим, что в общем случае длительность сигнала Tс, число этих сигналов и характер расположения на оси времени априорно не определены, каждый конкретный слушатель сам определяет число и длительность сеансов оптимального (качественного) прослушивания звуковой информации от источника сигнала. Указанные параметры являются случайными величинами.
Звуковым колебаниям F(t) и U(t) на интервале времени длительностью Tс соответствуют электрические сигналы u'(t) и uист(t), спектральные функции которых ранее были обозначены Связь между этими спектральными функциями приводится в выражениях (7), (8), (13), пределы интегрирования равны Tс.
Адаптировать теорию дискретных и цифровых сигналов для решения вышесформулированной задачи можно, если любой временной отрезок Tс между моментами времени t1 и t2 (фиг. 1) представить в виде выражения (14)

где m и k - целые числа, удовлетворяющие соотношениям (15)

Ряд (14) представляет собой чередующиеся друг за другом временные интервалы . Эти интервалы функциональны: отрезки времени предназначены для организации режима прохождения сигналов по первой ветви блока обработки сигналов и далее через все элементы тракта звуковоспроизведения до точки прослушивания. В течение этого интервала опорным, "идеальным" сигналом осуществляется зондирование всего тракта звуковоспроизведения и искаженный сигнал наряду с опорным посредством АЦП вводится в ЭВМ. На отрезке осуществляется процесс вычисления задержек, а также может быть начат процесс статистического анализа параметров сигналов и оптимизация энергетики сигнала.
Отрезки времени предназначены для организации (квазиоптимального) режима воспроизведения по памяти временных параметров сигналов. Этот режим наступает после осуществления всех необходимых вычислений оптимальных временных задержек и переключения управляемого переключателя. В течение отрезка времени временные параметры сигналов (их задержки друг относительно друга) не изменяются. В это время также осуществляется оптимизация энергетических параметров сигналов и текущая оптимизация при формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения. В течение этого отрезка времени может быть продолжен процесс статистического анализа параметров сигналов и помех.
В специализированных ЭВМ обработка сигналов может осуществляться с использованием нескольких параллельно работающих процессоров.
В простейшем варианте реализации программ работы оптимальной обработки параметры могут формироваться соответствующим (синхронизирующим) генератором с жестко заданным периодом следования и скважностью импульсов , который синхронизирует во времени операции по обработке сигналов и определяет состояние управляемого переключателя. В более сложных вариантах реализации программ параметры могут быть переменными и функционально зависеть от вычисляемых в процессе обработки сигналов динамических изменений параметров сигналов. Например, если в процессе пяти последовательных циклов сбора, анализа параметров сигналов выясняется, что сигналы практически не изменяются, т.е. звуковоспроизведение осуществляется в квазистационарных условиях, то в процессе выполнения программы работы системы параметры или один из них могут быть изменены.
Важно отметить, что при реализации алгоритмов оптимизации временных задержек сигналов, например при реализации полнопараметрического оптимального алгоритма, в течение времени сигнал в точке прослушивания является искаженным: отсутствуют предыскажения информационного сигнала по временным параметрам. Поэтому при выборе параметров следует руководствоваться следующим.
Во-первых, величину параметра желательно выбрать как можно меньше. Минимальное значение отрезка определяется нижней частотой звукового диапазона в соответствии с условием (16)

где fн и Tн - частота и период нижней частоты звукового диапазона. Условие (16) позволяет осуществлять анализ компонентов сигнала на любой частоте в полосе звуковоспроизведения (fн ≅ f ≅ fв).
Параметр следует выбирать также исходя из возможной удаленности точки прослушивания от громкоговорителя и, как уже отмечалось, исходя из особенностей динамических изменений параметров во времени при звуковоспроизведении в конкретных акустических и шумовых условиях.
Понятно, что, увеличивая параметр т.е. увеличивая отрезок реализации сигналов, можно получить более информативный "образ" сигнала и в дальнейшем путем корреляционной обработки этих сигналов более точно находить временные задержки сигналов и их компонентов. Для ввода в систему сигнала, являющегося реакцией системы на сигнал источника, необходимо, чтобы параметр был больше времени задержки Δtз сигнала при прохождении всех элементов тракта звуковоспроизведения до точки прослушивания. Более того, это условие целесообразно усилить для повышения точности корреляционной обработки и представить в виде (17)

Полагая, что удаление точки прослушивания от громкоговорителя для подавляющего большинства помещений прослушивания составляет не более 3 - 6 м, что соответствует задержке сигнала не более 0,01 - 0,02 с, можно сделать вывод, что для подобных помещений условие (17) согласуется с условием (16).
Таким образом, при составлении алгоритмов оптимальной обработки сигналов целесообразно задавать параметр в интервале, например, [0,05; 1,0] с, а параметр в интервале, например, [0,1; 120] c.
Представление сигнала звуковоспроизведения длительностью Tс в виде (14) позволяет найти общее решение задачи повышения качества передачи информации в канале со случайными параметрами.
Вышеизложенный подход можно проиллюстрировать множеством примеров взаимодействия человека и машин в сложных, динамично изменяющихся условиях их использования. Например, при езде на автомобиле в ненастную погоду водитель выбирает режим работы стеклоочистителя лобового стекла в соответствии с параметрами осадков. При слабом дожде водитель интуитивно устанавливает режим работы с большим периодом срабатывания щеток стеклоочистителя потому, что отвлекающее внимание водителя и мешающее обзору дороги перемещение щеток минимально, а видимость в промежутках между циклами срабатывания стеклоочистителя остается на удовлетворительном уровне. При сильном дожде, когда часто падающие, крупные капли дождя сильно ухудшают видимость (капли дождя и ухудшение видимости можно интерпретировать, как появление сильной помехи, искажающей восприятие информации в оптическом канале получения этой информации, аналогично акустическим шумам при звуковоспроизведении), водитель, экспериментируя с возможными режимами работы стеклоочистителя, переключает их в режим работы с малым периодом срабатывания щеток стеклоочистителя. И хотя помеха от движения щеток увеличивается, но в то же время уменьшаются искажения визуальной информации за счет капель дождя так, что общее результирующее восприятие визуальной информации улучшается.
Таким образом, отрезок времени, в течение которого щетки стеклоочистителя перемещаются по стеклу, давая при этом некоторое ухудшение восприятия информации, аналогичен отрезку После очередного движения щеток очищенное стекло обеспечивает более высокую его способность пропускать через себя без искажений световую информацию аналогично той части отрезка , на котором должна осуществляться согласованная фильтрация и активное шумопонижение для качественного восприятия звуковой информации.
Существенное отличие данного примера от изложенного выше способа в том, что в явном виде отсутствует "идеальный" (опорный) процесс, с которым сравниваются текущие параметры процесса передачи информации. Но в неявном виде опорный процесс все же присутствует в системе "человек - машина" - в виде запечатленных в памяти водителя типовых дорожных образов (образов дорог, машин, дорожных знаков, разметок, мостов, световых сигналов наружного освещения автомобилей, светофоров, образцов ландшафта и т.д.) и возможных взаимных расположений и динамических связей между этими образами или их элементами. Например, при усилении дождя, когда восприятие дорожных образов сильно ухудшается и человек на подсознательном уровне, осуществляя текущую корреляционную обработку визуальной информации, получает низкие значения коэффициентов корреляции анализируемых образов или их элементов с хранящимися в его памяти "идеальными" образами, например четко не видит границ проезжей части или окружающей обстановки далее чем на 20 метров, то он включает стеклоочиститель в режим интенсивной работы, оптимизируя (максимизируя) с помощью данного устройства фактически соотношение сигнал/шум (или СКО) визуальной информации. Подобно тому как режим оптимальной работы стеклоочистителя зависит от погодных условий, также и при звуковоспроизведении с использованием сложных, интеллектуальноемких алгоритмов обработки сигналов параметры могут изменяться в процессе работы в широких пределах.
Например, когда заканчивается дождь, водитель отключает стеклоочиститель до следующего дождя, что соответствует существенному (на порядки) увеличению значения параметра
Однако не для всех практических ситуаций увеличение частоты срабатывания щеток стеклоочистителя является оптимальным решением. Например, при увеличении плотности капель дождя вплоть до полного их слияния (например, при падении автомобиля в реку) или в условиях сильного снегопада или тумана работа щеток теряет практический смысл, т.е. с помощью данной машины нельзя повысить качество приема визуальной информации. Аналогично и в звуковоспроизведении при сильных широкополостных или импульсных помехах эффективность работы системы может быть ограничена конкретными условиями звуковоспроизведения. В условиях помех с быстроизменяющимися параметрами, значения которых соизмеримы с временем задержки сигнала в тракте звуковоспроизведения, система может осуществлять лишь частичное подавление помех или вообще не успевать их отслеживать и подавлять. В этой ситуации возможен даже рост СКО. Поэтому при синтезе алгоритмов оптимальной обработки необходимо предусмотреть меры противодействия указанным эффектам, например отключать или дополнительно демпфировать узлы автоматического регулирования параметров сигналов.
В примере взаимодействия водителя и стеклоочистителя автомобиля аналогичная ситуация соответствует принятию решения водителем о необходимости снижения скорости езды или даже полному прекращению движения в условиях плохой видимости и соответственно выключению стеклоочистителя.
Таким образом, представление времени в виде ряда (14) искусственным путем позволяет смоделировать неэргодические и нестационарные процессы в виде чередующихся друг за другом участков этих процессов, которые моделируются в виде стационарных процессов.
Параметры этих процессов за время их анализа и обработки изменяются незначительно, так что оказывается целесообразно воспроизводить сигналы в скорректированной форме на основании предыдущего цикла анализа, т.е. по памяти. В результате подобной обработки сигналов удается по объективным критериям повышать соотношение сигнал/шум (помеха) и точность передачи информации к слушателю. Указанный прием позволяет разделить во временной области процессы ввода, обработки и вывода информации, не прерывая восприятия человеком информационного потока. Другими словами, за счет указанных действий удается разорвать взаимозависимость АЧХ и ФЧХ оптимизируемых сигналов. Предложенный метод корректирования параметров воспроизводимых сигналов имеет некоторую аналогию с процессом прерываемого воспроизведения сигналов по памяти в автомобильных проигрывателях CD, снабженных системой воспроизведения сигналов во время сильной вибрации и тряски при езде по неровной дороге.
В многоканальных звуковоспроизводящих системах необходимо предусмотреть в алгоритмах обработки сигналов возможность появления аномальных ошибок при нахождении задержек сигналов и их компонентов.
Указанные ошибки могут появляться в результате ошибочного сопоставления и анализа сигналов для разных каналов, поскольку сигналы в каналах звуковоспроизведения сильно скоррелированы и в точках прослушивания значительную часть времени присутствуют сигналы, имеющие составляющие на одних или близких частотах. В подобной ситуации сигналы, например, левого канала при определении задержек будут представлять собой помеху для правого канала и наоборот. Проблема подобного рода может быть решена путем кратковременного стробирования одного из каналов на время, необходимое для достоверного нахождения задержек сигналов в другом канале. Стробирование может осуществляться как во всей полосе звуковых частот, так и на отдельных полосах анализа. Стробирование сигналов может осуществляться микропроцессорными устройствами управления или программными средствами.
Для исключения аномальных ошибок за счет шумов и помех возможно использование статистических методов обработки параметров сигналов. В подобных методах результаты измерения соотношения сигнал/шум можно использовать в качестве критерия достоверности измеренного параметра.
При составлении алгоритмов для формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения необходимо учитывать, что расстояние от возможных источников акустических помех и шумов до точек прослушивания, а также расстояние от громкоговорителей до точек прослушивания в общем случае являются случайными параметрами. Поэтому общим для алгоритмов формирования дополнительных сигналов является подгонка априорно неизвестных параметров этих сигналов под требуемые по следующим критериям.
Во-первых, необходимо в каждой полосе анализа определить соотношение сигнал/шум (помеха). Если соотношение сигнал/шум ниже порогового, необходимо сформировать, например с помощью электронного ключа, дополнительный сигнал.
Во-вторых, необходимо излучить этот сигнал, имеющий в начальной фазе случайные параметры. Этот сигнал, достигнув в пространстве звуковоспроизведения точки прослушивания, в соответствии с принципом суперпозиции сигналов приведет к изменению параметров совокупного акустического сигнала. Уровень сигнала скачком либо увеличится (при синфазном сложении сигналов), или уменьшится. Скачкообразное изменение уровня сигналов в точке прослушивания, кстати сказать, может использоваться в алгоритмах нахождения задержек сигналов.
В-третьих, необходимо путем последовательных приближений (итерационным путем) осуществить фазовую оптимизацию дополнительных сигналов, например, дискретно изменяя задержку во времени дополнительного сигнала. Критерием окончания процесса оптимизации фазы дополнительного сигнала служит минимум уровня компонентов помех в сигнале прослушивания.
В-четвертых, необходимо путем последовательных приближений осуществить энергетическую оптимизацию дополнительного сигнала. Критерием окончания процесса оптимизации уровней дополнительных сигналов является также минимум уровня компонентов помех в сигнале прослушивания.
Очевидно, что для стационарных помех, параметры которых во времени не изменяются, выбрав соответствующим образом шаг дискретизации во временной и энергетической областях оптимизации параметров, может быть достигнуто понижение шумов с требуемой точностью, т.е. с допустимым уровнем соотношения сигнал/шум и СКО.
Таким образом, при формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения необходимо в соответствующей полосе анализа осуществлять двухпараметрическую оптимизацию сигнала.
В заключение обоснования предложенного способа звуковоспроизведения прокомментируем взаимосвязь между функциями U(t) и F(t).
В отдельных случаях, на некоторых отрезках времени T'c, функции U(t) и F(t) для слушателя могут быть (в рамках используемых математической и физической моделей описания звуковоспроизведения) тождественно равны, т.е. полностью совпадать. Практически подобная ситуация возможна, например, когда посетитель концерта, используя стереомагнитофон и микрофоны, расположенные на его голове, прослушивает и одновременно осуществляет магнитную запись звуковой информации во время этого концерта (T'c=t'2-t'1). После проведения подобной записи слушатель в удобное для себя время, т.е. уже в другом временном интервале Tc= t2-t1 и в других акустических условиях, например домашних, с помощью системы оптимального звуковоспроизведения, в которой в качестве зондирующего устройства используются те же микрофоны, что и при записи концерта, может повторно прослушать всю (T'2=Tc) или часть (T'c≠Tc) записи.
Данная ситуация на практике встречается редко. На практике чаще встречается вариант, когда человек желает прослушать дома, например, концерт любимой рок-группы, запись которого сделана еще до его рождения или на который слушатель не смог попасть по другим причинам. В рамках предложенного способа звуковоспроизведения слушатель может осуществить высококачественное прослушивание записи, которую ранее никогда не слышал и в принципе никогда не мог услышать. В качестве носителя информации ему следует приобрести, например, персонифицированный компакт-диск, соответствующий размеру его головы, и элементы оптимальной звуковоспроизводящей системы, откалиброванные в студийных условиях по универсальным критериям: с постоянной АЧХ и линейной ФЧХ. Слушатель может осуществлять качественное звуковоспроизведение сигналов многократно и в различных помещениях прослушивания, например в автомобиле, в условиях более сильных шумов и помех.
Очевидно, что в зависимости от акустических свойств помещения прослушивания, характеристик и интенсивности шумов отличие сигналов прослушивания от сигналов первоисточника будет разным. Другими словами, среднеквадратическое отклонение сигнала прослушивания от сигнала источника является функцией параметров тракта звуковоспроизведения, можно измерять в процессе обработки сигналов и поэтому данный параметр целесообразно использовать в качестве универсальной интегральной характеристики для описания качества (точности) работы звуковоспроизводящей системы и классификации систем.
Отметим, что СКО как интегральный параметр, дающий объективное представление о качестве звуковоспроизведения, принципиально не может быть использован для традиционных звуковоспроизводящих систем потому, что несмотря на наличие локальных обратных связей, например, в усилителях низкой частоты в традиционных системах отсутствует обратная связь между входом и выходом всего тракта звуковоспроизведения и, следовательно, отсутствует возможность сравнения реализаций сигналов и определения СКО. В традиционных звуковоспроизводящих системах каждый отдельный аппаратурный элемент тракта звуковоспроизведения описывается целой группой показателей качества, например нелинейными искажениями, интермодуляционными искажениями, фазовыми искажениями, переходными искажениями, искажениями АЧХ и т.д., которые в действительности не являются независимыми показателями и фактически в разной физической интерпретации показывают способность устройств повторять форму входного сигнала на их выходе. Большое число показателей качества затрудняет интегральную оценку устройств преобразовывать сигналы без искажений. Поскольку различие двух сигналов полностью описывается с помощью СКО, то при классификации работы звуковоспроизводящих систем целесообразно анализировать значения СКО как всей системы в целом, так и отдельных аппаратурных ее элементов по тест-сигналам, имитирующим всевозможные формы реальных звуковых сигналов. Общепринятое нормирование параметров систем по нескольким гармоническим сигналам, например, номинального уровня на низких, средних и высоких частотах полосы звуковоспроизведения не вполне соответствует реальным звуковым сигналам и особенностям работы устройств при воздействии этих сигналов.
Наиболее подходящей моделью тест-сигналов для испытания систем и их классификации по значениям СКО может быть, например, группа из следующих сигналов:
1) сигнал типа "розовый шум" с частотными границами полосы звуковоспроизведения, с линейно-возрастающим уровнем от нуля максимального значения; скорость нарастания варьируется; в частном случае, импульсный шумовой сигнал;
2) шумоподобный сигнал со ступенчато-возрастающим от нуля до максимума уровнем.
Применение подобных сигналов обосновывается возможностью совмещения анализа системы в частотной области и динамических свойств системы, т.е. анализа во временной области.
Указанные тест-сигналы могут быть стандартизированы и генерироваться самой оптимальной звуковоспроизводящей системой для ее тестирования при покупке и во время эксплуатации, например для тестирования акустических свойств помещения прослушивания, или выборе наиболее удачного места расположения громкоговорителей, или ускоренной первоначальной самоадаптации системы.
Использование данного подхода позволит на практике потребителю осуществлять выбор элементов звуковоспроизводящих систем и по их объективным параметрам, а не по случайным критериям, например под воздействием рекламы производителя, заявленных технических параметров устройств или мнения продавца, аргументирующего превосходство звуковоспроизводящего устройства или системы более высокой репутацией фирмы-производителя.
Например, заменяя методом исключения сравниваемые элементы аппаратуры при прочих равных условиях, потребитель может оперативно выбрать, например, УНЧ, который обеспечивает наименьшее СКО тест-сигналов или при равном СКО имеет меньшую стоимость. С помощью аналогичной методики потребитель может осознанно приобретать программное обеспечение при реализации блока обработки сигналов с использованием ЭВМ.
Рассмотрим варианты выполнения систем оптимального звуковоспроизведения и примеры алгоритмов оптимальной обработки сигналов.
Система оптимального звуковоспроизведения (фиг.2) содержит источник 1 сигнала и канал звуковоспроизведения, выполненный в виде усилителя 2 низкой частоты и громкоговорителя 3, связанных последовательно, зондирующего устройства 4, блока 5 обработки сигналов, выполненного с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника 1, линии связи 6, при этом выход зондирующего устройства 4 посредством линии связи 6 подключен к первому входу блока 5 обработки сигналов. Ко второму входу блока 5 обработки сигналов подключен выход источника 1 сигнала, а выход блока 5 обработки сигналов связан со входом усилителя 2 низкой частоты.
Согласно изобретению блок 5 обработки сигналов выполнен с возможностью формирования на его выходе дополнительных сигналов для активного шумопонижения.
Работает система оптимального звуковоспроизведения (фиг.2) следующим образом.
Посредством приемного элемента зондирующего устройства 4 осуществляется прием звуковых сигналов, присутствующих в точке его расположения, - прямых звуковых волн от громкоговорителя 3, переотраженных от стен и иных предметов помещения акустических волн громкоговорителя 3, акустических помех и шумов различной природы происхождения.
Принятый совокупный, акустический, искаженный сигнал преобразуется в электрический сигнал прослушивания и посредством линии связи 6 поступает на первый вход блока 5 обработки сигналов.
В качестве линии связи 6 может использоваться кабельная или беспроводная линия связи 6, например линия связи 6 с использованием радиоволн или инфракрасных волн. Искажения сигнала в линии связи 6 определяют порог точности работы системы (СКО) и поэтому предпочтительней использование линий связи в виде закрытого канала передачи информации: кабельных линий, волоконно-оптических линий или каналов передачи информации, в которых используются методы кодирования сигналов.
На второй вход блока 5 обработки сигналов подается сигнал с выхода источника 1.
В блоке 5 обработки сигналов в соответствии с заданным аппаратным или программным способом алгоритмом осуществляется обработка сигналов, заключающаяся в осуществлении согласованной фильтрации сигнала источника 1 и формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения. Выходной сигнал блока 5 обработки сигналов представляет собой сумму оптимального скорректированного сигнала источника 1 и дополнительных сигналов. Этот сигнал, проходя через канал звуковоспроизведения: усилитель 2 низкой частоты, громкоговоритель 3 и помещение прослушивания, в точке расположения приемного элемента зондирующего устройства 4, повторяет электрический сигнал источника 1 сигнала с максимально возможной точностью.
Если конкретные условия звуковоспроизведения не позволяют осуществлять воспроизведение в точке прослушивания сигнала с некоторой точностью, то звуковоспроизведение не является оптимальным в смысле гарантий качества. В подобной ситуации система обеспечивает уменьшение энтропии в канале звуковоспроизведения, но при этом требуемое соотношение сигнал/шум или СКО не достигается.
Быстродействие процесса оптимизации звуковых сигналов в точке прослушивания определяется постоянными времени автоматического регулирования оптимизируемых параметров сигналов, выбранным алгоритмом работы системы и условиями звуковоспроизведения.
Система оптимального звуковоспроизведения (фиг.2) является оптимальной для людей с одним нормально функционирующим органом слуха, т.е. инвалидов.
Блок 5 обработки сигналов может быть реализован в виде узкофункционального устройства или в качестве блока 5 может быть использована ЭВМ, например стандартная ПЭВМ с устройствами ввода (двухканальным АЦП) и вывода (одноканальным ЦАП) информации.
Для слушателей, имеющих два работоспособных органа слуха, вариант функциональной схемы системы оптимального звуковоспроизведения изображен на фиг. 3.
Система (фиг.3) содержит источник сигнала 1, который выполнен с по крайней мере одним дополнительным выходом для многоканального звуковоспроизведения. Дополнительно введен соответственно числу дополнительных выходов источника 1 сигнала по крайней мере один дополнительный канал звуковоспроизведения. Дополнительный канал выполнен в виде дополнительного усилителя 7 низкой частоты и дополнительного громкоговорителя 8, связанных последовательно. В дополнительный канал также входят дополнительное зондирующее устройство 9, дополнительный блок 10 обработки сигналов, выполненный с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника 1 и формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, дополнительная линия связи 11. Выход дополнительного зондирующего устройства 9 посредством дополнительной линии связи 11 подключен к первому входу дополнительного блока 10 обработки сигналов. Дополнительный выход источника 1 сигнала подсоединен ко второму входу дополнительного блока 10 обработки сигналов. Выход дополнительного блока 10 обработки сигналов связан с входом дополнительного усилителя 7 низкой частоты.
На фиг. 3 буквами A и B обозначены соответственно канал и дополнительный канал звуковоспроизведения.
В качестве источника 1 сигнала может быть использован любой известный тип многоканального источника 1 сигнала с использованием любого известного носителя первичной информации, а также систем и способов преобразования и формирования многоканальных сигналов.
Возможны различные конструктивные варианты выполнения зондирующих устройств 4 и 9, например, в виде наушников, очков, прищепок. Приемные элементы могут быть размещены на голове слушателя, на подголовнике автомобильного или домашнего кресла или в пульте дистанционного управления работой системы. Наибольшая достоверность звуковоспроизведения может быть получена при расположении приемных элементов зондирующих устройств 4 и 9 вблизи органов слуха потребителя.
В рабочем состоянии приемные элементы зондирующих устройств 4 и 9 совместно с головой слушателя образуют зондирующий "микрофон-голову".
При использовании двухканальной (стерео) системы один из приемных элементов, например, канала A может являться электронной моделью правого уха слушателя, а приемный элемент зондирующего устройства 9 канала B соответственно являться электронной моделью левого уха слушателя. При соответствующем (сориентированном) расположении на голове слушателя приемных элементов зондирующих устройств 4 и 9 во время работы системы выходные электрические сигналы прослушивания будут учитывать влияние таких случайных факторов, как размер, форму (за счет дифракции звуковых колебаний на голове), пространственную ориентацию головы конкретного слушателя.
Принцип работы каналов A и B системы оптимального звуковоспроизведения (фиг. 3) аналогичен принципу работы одноканальной системы, описанной выше.
В результате работы каналов A и B в точках пространства вблизи приемных элементов зондирующих устройств 4 и 9 (вблизи органов слуха) звуковые колебания приближаются по форме к звуковым колебаниям первоисточников звуков. Точное воспроизведение амплитуд и фаз (времени задержек) компонентов звуковых колебаний позволяет точно воспроизвести пространственное восприятие "звуковой картины" с локализацией кажущихся источников звуков в определенном месте по отношению к голове слушателя.
Для работоспособности системы (фиг. 3) не обязательно в каждом из каналов звуковоспроизведения использовать усилители 2 и 7 низкой частоты, громкоговорители 3 и 8 с полностью идентичными характеристиками: АЧХ, ФЧХ, КПД, поскольку несоответствие указанных параметров идеальным и друг другу компенсируется в процессе работы системы. Важно, чтобы каждый блок 5 обработки сигналов и дополнительный блок 10 обработки сигналов, а также зондирующее устройство 4 и дополнительное зондирующее устройство 9, линия связи 6 и дополнительная линия связи 11 были укомплектованы для своего канала звуковоспроизведения в неизменный по своим параметрам узел, который, в свою очередь, должен быть перед эксплуатацией системы предварительно откалиброван в соответствии с условием (12).
При реализации блоков 5 и 10 обработки сигналов в виде ЭВМ с устройствами ввода (четырехканальным АЦП) и вывода (двухканальным ЦАП) с соответствующим программным обеспечением блоки 5 и 10 не требуют предварительной настройки, т.к. настройка и отладка этих блоков суть отладка программы оптимальной обработки сигналов. Калибровке подлежат только устройства 4, 9, 6, 11. Конструктивно регулировочные элементы фильтров для корректировки АЧХ и ФЧХ этих узлов могут быть реализованы внутри корпусов зондирующих устройств 4 и 10 в виде R, C, L элементов или эквивалентная информация о необходимости коррекции может вводиться в ЭВМ на стадии загрузки программного обеспечения с помощью, например, дискеты, магнитной ленты, чипа или любого другого известного способа ввода информации в ЭВМ.
При настройке указанных узлов системы в безэховой камере могут использоваться в качестве источника 1 сигнала генератор шума (в том числе и виртуальный, реализованный программным способом), а в качестве контрольно-измерительной аппаратуры: многоканальный анализатор спектра, усилитель низкой частоты, микрофон-голова и громкоговоритель студийного класса. Для повышения эффективности работ по настройке и калибровке элементов системы может использоваться ЭВМ с соответствующей программой.
Принцип работы оптимальной системы может быть применен для, например, четырехканальной оптимально-звуковоспроизводящей системы, например для двух людей с нормально функционирующими органами слуха или, например, для двух инвалидов с одним нормально функционирующим органом слуха и одного человека с двумя нормально функционирующими органами слуха.
Если каждому выходу источника 1 соответствует сигнал uист.k(t), где k = 1,2, . . . K, то этому сигналу можно поставить в соответствие свой сигнал прослушивания u'k(t), который может быть оптимизирован в соответствии с предложенным способом звуковоспроизведения. По принципу взаимности каждому сигналу прослушивания должен соответствовать свой сигнал источника 1 и канал оптимального звуковоспроизведения. Если число сигналов источника 1 меньше числа точек прослушивания, то оптимизация сигналов в соответствии с предложенным способом становится невозможной, т.к. нарушается принцип причины и следствия. Например, с помощью одного громкоговорителя невозможно обеспечить одновременный приход прямой звуковой волны для двух разных точек пространства вдоль оси громкоговорителя. С помощью двух громкоговорителей становится возможным реализация указанных сигналов путем выбора соответствующих задержек сигналов и их уровней.
Таким образом, общее решение задачи оптимального звуковоспроизведения для группы слушателей можно представить как совместное решение задач оптимального звуковоспроизведения для каждого индивидуального слушателя из этой группы. Условие для оптимального коллективного звуковоспроизведения можно представить в виде (18)
K = N
где K - число выходов источника 1 сигнала,
N - число органов слуха.
Например, для высококачественного звуковоспроизведения в двухместном автомобиле необходимо использовать четыре канала информации и столько же каналов оптимального звуковоспроизведения, соответственно в четырехместном автомобиле необходимо использовать восьмиканальную звуковоспроизводящую систему и т.д.
Понятно, что при подобном подходе возможны различные вариации подключения выходов источника 1 сигнала к каналам звуковоспроизведения и следовательно возможна оптимизация указанных вариантов подключений. В качестве критерия наилучшего варианта подключений выходов источника 1 сигнала к каналам звуковоспроизведения может быть минимальное значение среднего арифметического значения СКО по всем возможным вариантам. Данный критерий соответствует равновесовому процессу оптимизации сигналов в множестве информационных каналов.
Предложенный подход может быть реализован при синтезе систем оптимального домашнего кинотеатра или домашнего концертного зала с числом потенциальных посетителей до трех - пяти человек. При большем числе зрителей предложенный способ звуковоспроизведения трудно реализовать практически из-за трудностей регистрации многоканальной информации на стадии ее ввода, например, во время озвучивания фильма с помощью микрофонов-голов.
В многоканальных системах звуковоспроизведения целесообразно предусмотреть вариант оптимизации комбинации задействования каналов при не полном числе слушателей.
В систему оптимального звуковоспроизведения одноканальную (фиг. 4) или многоканальную (фиг. 5) может быть дополнительно введен генератор сигналов 12, который выходом подключается к третьему входу блока 5 (10) обработки сигналов.
В качестве генератора сигналов 12 может быть использован генератор шума.
Принцип действия систем оптимального звуковоспроизведения (фиг. 4, 5) аналогичен принципу работы вышеописанных устройств с той лишь разницей, что для ускорения настройки системы в оптимальный режим с помощью генератора 12 формируются, например перед началом работы системы, вспомогательные сигналы тестирования. При реализации блоков 5 и 10 с использованием ЭВМ указанный генератор 12 может быть реализован виртуально, программным способом, например, в виде соответствующей подпрограммы "генератора 12 случайных чисел" с последующей "модуляцией" программными средствами этого сигнала для получения, например, импульсно-модулированных, шумоподобных тест-сигналов. В данном примере с качестве третьего входа блока обработки 5 (10) является виртуальный, программный вход, связывающий с помощью оператора условного или безусловного перехода основную программу с подпрограммой - "генератором 12".
При конструктивной реализации систем оптимального звуковоспроизведения может использоваться моноблочный вариант или блоки обработки 5 (10), линия связи 6 (11), зондирующее устройство 4 (9), функционально, могут быть объединены в отдельное устройство - "блок оптимальной обработки сигналов" для того, чтобы потребитель, уже имея стереосистему с блочной комплектацией, мог бы ее дополнить до уровня системы оптимального звуковоспроизведения. В качестве блоков обработки сигналов, как уже отмечалось, можно использовать АЦП, ЭВМ с программным обеспечением и ЦАП, связанные последовательно.
Если в оптимальной звуковоспроизводящей системе источник 1 сигнала не обеспечивает высокое качество выходных сигналов и в нем происходят потери и искажения информации, например, из-за неидеальности АЧХ радиоприемного тракта FM тюнера или разброса параметров головок магнитофона, то целесообразно, чтобы источник 1 сигнала был выполнен с возможностью регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах. Указанная регулировка может быть реализована с использованием любых известных схемотехнических решений темброблоков или эквалайзеров. Данная регулировка может также использоваться людьми с нарушениями функционирования органов слуха. Для этого человек с ослабленным слухом в области высоких частот может обратиться к врачам и снять для каждого органа слуха его АЧХ, а затем ввести соответствующую коррекцию АЧХ источника сигнала 1. Процедура определения требуемой коррекции воспроизведения сигналов в каналах звуковоспроизведения может быть автоматизирована с использованием ЭВМ и являться частью ее программного обеспечения. Предпочтительна диалоговая форма общения слушателя с машиной и ввода в программу оптимального звуковоспроизведения указанной информации.
При неидеальности источника 1 сигнала целесообразно выполнить его с возможностью шумопонижения.
Поскольку различные источники 1 сигналов могут иметь разный уровень выходных сигналов, то целесообразно, чтобы источник 1 сигнала был выполнен с возможностью автоматического регулирования уровней его выходных сигналов. Для этих целей можно использовать технические решения, аналогичные устройствам автоматического регулирования уровня записи (АРУЗ) магнитофонов. Постоянная времени может быть выбрана порядка 1 - 20 с.
В варианте реализации системы целесообразно выполнить источник 1 сигнала с возможностью автоматического регулирования уровней и неавтоматического регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах.
Для обеспечения регулирования громкости в точке прослушивания источник 1 сигнала может быть выполнен с возможностью регулирования уровней сигналов на его выходах. Для этой же цели зондирующее устройство 4 и дополнительное зондирующее устройство 9 или линия связи 6 и дополнительная линия связи 11 могут быть выполнены с возможностью регулирования коэффициента передачи.
Работает система оптимального звуковоспроизведения в соответствии с уже описанным принципом действия. Если на первом или втором входах блока 5 (10) происходит изменение уровня сигнала в том числе и за счет регулятора громкости, то система автоматически компенсирует возникшее несоответствие энергии сигнала в точке прослушивания, изменяя на требуемую величину громкость звуковых колебаний.
Если регулятор громкости выполнить тонкомпенсированным в том числе и с использованием результатов автоматизированного тестирования индивидуальных слуховых способностей конкретного слушателя, то в процессе работы в зависимости от выбранного слушателем уровня громкости система будет автоматически осуществлять частотные предыскажения сигнала соответственно психофизиологическим особенностям слуха воспринимать звуки различной частоты. Другими словами, в этом случае система будет корректировать потери и искажения звуковой информации, происходящие в человеке за счет ухудшения работоспособности органов слуха - "устройств" ввода звуковой информации в мозг и нервную систему ("ЭВМ") человека.
В системах с поблочной компоновкой функциональных узлов регулятор громкости можно установить на первом или втором входах блока 5 (10) обработки сигналов потому, что в классических системах с блочной компоновкой регулятор громкости часто устанавливается на входе УНЧ, а не на выходе источника 1 сигнала. Регулирование громкости с помощью регулятора, установленного на входе УНЧ, не позволит изменять громкость в точке прослушивания, т.к. ослабление сигнала на входе УНЧ будет компенсироваться в блоке обработки 5 (10) путем автоматического, пропорционального увеличения сигнала на его выходе.
В вариантах реализации систем оптимального звуковоспроизведения целесообразно, чтобы блок 5 обработки сигналов и дополнительный блок 10 обработки сигналов были выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных характеристик или фазо(временных)-частотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для оптимизации энергетических или временных (фазовых) параметров сигналов, а также вариант, в котором блок 5 обработки сигналов и дополнительный блок 10 обработки сигналов были выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для полнопараметрической оптимизации энергетических и временных параметров сигналов.
Для пояснения особенностей работы указанных вариантов выполнения систем оптимального звуковоспроизведения воспользуемся функциональной схемой блока 5 (10) обработки сигналов, изображенной на фиг. 6.
Блок 5 (10) обработки сигналов (фиг. 6) содержит устройство 13 управления, полосовые фильтры 141, 142,..., 14R, блоки 151, 152,..., 15P согласованной фильтрации, блоки 161, 162,..., 16W формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, сумматор 17, связанные друг с другом как показано на фиг. 6.
В качестве устройства 13 управления может быть использован генератор синхронизирующих импульсов или микропроцессорное устройство управления. При реализации блока 5 (10) обработки сигналов с использованием ЭВМ устройство 13 управления реализуется программно, являясь частью программного алгоритма обработки информации (деревом программы).
В качестве фильтров 14 могут использоваться любые известные типы активных или пассивных фильтров, например фильтры с использованием операционных усилителей и R, C, L элементов или фильтры с использованием ПАВ-технологии.
При реализации блока 5 (10) обработки сигналов с использованием ЭВМ фильтры 14 реализуются программным способом, являясь частью алгоритма обработки информации. При цифровом варианте целесообразно выбрать прямоугольную форму АЧХ фильтров 14, а процесс вычисления выходного сигнала фильтра 14 во временной области разместить между тактовыми отсчетами входных сигналов для уменьшения времени цифровой фильтрации сигналов.
Полосы частот и форма АЧХ фильтров 14 по первому входу должны соответствовать АЧХ фильтров 14 по второму входу блока 5 (10).
Блоки 15 согласованной фильтрации могут быть выполнены в виде полнопараметрических блоков 15, содержащих блоки 181, 182,..., 18L оптимизации временных параметров сигналов и блоки 191, 192,..., 19Q оптимизации энергетических параметров сигналов (фиг. 6), или в виде неполнопараметрических блоков 15, содержащих по одному блоку 18 или блоку 19.
При выполнении блока 5 (10) возможно использование однотипных блоков 15 или разнотипных блоков 15 в различных комбинациях, например часть блоков на низких и высоких частотах выполняется в виде однопараметрических блоков 15, а часть блоков 15 на средних частотах - в виде полнопараметрических блоков 15. Приведенный пример выполнения блока 5 (10) целесообразно использовать при аналоговой форме выполнения блоков 15 для уменьшения числа функциональных узлов системы оптимального звуковоспроизведения и ее цены. В цифровых вариантах реализации блоков 5 (10) лучше использовать полнопараметрические блоки 15, поскольку указанные блоки могут быть синтезированы программным способом - в виде соответствующей подпрограммы обработки сигналов. К этой подпрограмме можно обращаться с помощью операторов перехода любое требуемое число раз, а также варьировать параметры этих блоков при их оптимизации. Скорость процессов программной фильтрации сигналов определяется быстродействием ЭВМ, алгоритмом обработки сигналов и для звуковых частот приближается к скорости аналоговой фильтрации. В варианте выполнения блоков 5 (10) обработки сигналов для некоторых полос частот, например низких, блоки 15 могут быть исключены как функциональные устройства. В этих случаях эквивалентная схема замещения будет представлять собой не искажающий сигнал отрезок линии, связывающий второй вход с выходом блока 15 или широкополосную линию задержки. Однако, для того чтобы работа блока 5 (10) соответствовала вышеописанному способу оптимального звуковоспроизведения, необходимо, чтобы хотя бы для одной из полос звукового спектра или всего спектра осуществлялась согласованная фильтрация. В частном случае согласованной фильтрации для всей полосы частот звуковоспроизведения блок 15 выполняется в виде блока 18 и/или 19, на первый и второй входы которого подаются сигналы с выходов соответствующих сумматоров, входы которых подключаются к выходам соответствующих фильтров 14.
Таким образом, если число блоков 15 обозначить символом P, число блоков 16 символом W, число блоков 18 символом L, а число блоков 19 символом Q, то в самом общем виде для любой комбинации их использования связь между указанными параметрами и числом R фильтров 14 может быть представлена в виде соотношения (19)

Число R полосовых фильтров 14 должно быть не менее двух, т.к. при одном полосовом фильтре 14 становится принципиально невозможна обработка сигналов и формирование дополнительных сигналов для активного шумопонижения в рамках предложенного способа звуковоспроизведения. Чем больше число полос анализа R, тем выше разрешающая способность блока обработки 5 (10) в частотной области, т.е. способность более точного компонентного анализа сигналов при формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения.
Каждый из блоков 18 и 19 имеет по крайней мере по два входа, на которые поступают сигналы с выходов фильтров 14, и один выход.
В полнопараметрическом варианте выполнения блоков 15 первые входы блоков 18 и 19, предназначенные для подключения к отфильтрованным сигналам прослушивания, соединяются и являются первым входом блока 15. Другие входы и выходы блоков 18 и 19 могут иметь связи, показанные на фиг. 6: второй вход блока 18 является вторым входом блока 15, а выход блока 18 соединен со вторым входом блока 19. Выход блока 19 является выходом блока 15.
Указанные связи могут быть реализованы в обратном порядке. Вторым входом блока 15 будет второй вход блока 19, выход которого связан со вторым входом блока 18, выход блока 18 является выходом блока 15.
Блоки 18 в однопараметрическом и полнопараметрическом вариантах реализации, а также блок 19 в цифровом варианте его реализации должны иметь дополнительные, управляющие входы, а в вариантах и выходы для осуществления связи с устройством 13 управления.
Блоки 181, 182,..., 18L оптимизации временных параметров сигналов представляют из себя устройства корреляционной обработки сигналов и могут быть выполнены, например, в виде линий задержек 201, 202,..., 20Z, перемножителей 211, 212, ..., 21Z, фильтров низких частот 221, 222,..., 22Z, схемы анализа 23, схемы коммутации 24, соединенных между собой как показано на фиг. 6.
Блоки 191, 192, ..., 19Q оптимизации энергетических параметров в общем случае содержат устройства определения энергии сигналов за время анализа, сигналы с выходов которых подаются на схему сравнения, сигнал с выхода которой поступает на управляющий вход управляемого усилителя или аттенюатора. Вход одного из устройств определения энергии сигнала связан с входом управляемого усилителя (аттенюатора) и является вторым входом блока 19. Выход управляемого усилителя является выходом блока 19. Вход другого устройства определения энергии сигнала является первым входом блока 19.
На фиг. 6 приведен один из возможных вариантов выполнения блока 19 в виде детекторов 25, фильтров низких частот (ФНЧ) 26, резисторов 27 и первого управляемого усилителя 28, связанных между собой как показано на фиг. 6.
Блоки 161, 162, . .., 16W формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения содержат два функциональных узла, связанных последовательно друг с другом: фазовращающее устройство, выполненное в виде управляемого фазовращателя 29 с устройством 30 управления фазовращателем 29, и второй управляемый усилитель 31.
Порядок подключения этих узлов может быть изменен на обратный.
На фиг. 6 также изображен тонкомпенсированный регулятор громкости: R1, C1, C2, установленный на втором входе блока 5 (10).
Для удобства описания работы блока 5 (10) рассмотрение работы будем проводить при входных сигналах следующего типа:
1) на входах блока 5 (10) сигналы отсутствуют

2) наличие стационарной помехи при отсутствии сигнала источника

3) наличие нестационарной помехи при отсутствии сигнала источника

4) наличие сигнала источника при отсутствии сигнала прослушивания

5) наличие сигналов источника при слабых помехах

6) наличие сигналов источника при сильных помехах

Если на входах блока 5 (10) сигналы отсутствуют, т.е. uист(t) = 0 и u'(t) = 0, то соответственно отсуствуют сигналы и на выходах полосовых фильтров 14. На входах блоков 15 и входах блоков 16 сигналы также отсутствуют. Независимо от сигналов устройства 13 управления, поступающих на блоки 15 и в вариантах на блоки 16, выходные сигналы (предыскаженные информационные сигналы и дополнительные сигналы для активного шумопонижения) также равны нулю. Сигнал на выходе сумматора 17 отсутствует.
Таким образом, в точке прослушивания звуковой сигнал точно повторяет сигнал источника 1 - тишину.
Рассмотренная ситуация на практике встречается крайне редко. Наиболее типичной ситуацией является случай отсутствия сигнала, например в паузах между фонограммами, при наличии акустической помехи или шума.
Если на втором входе блока 5 (10) отсутствует сигнал источника uист(t) = 0, а на первом входе блока 5 (10) сигнал не равен нулю u'(t) ≠ 0, то обработка сигналов может быть представлена в виде следующей совокупности выполнения условий и действий над сигналами.
Пусть для любого момента времени независимо от параметров информационного сигнала источника 1 uист(t) и сигнала прослушивания u'(t) устройство 13 управления вырабатывает, например, прямоугольные импульсы длительностью Δtʹ и паузой Δtʺ, поочередно поступающие на блоки 5, 10.
Пусть посредством этих импульсов определяются режимы работы блоков 15 и 16, например, в соответствии со следующими правилами:
- в течение времени Δtʹ в блоках 18 осуществляется корреляционная обработка сигналов - вычисляется оптимальная временная задержка сигнала источника 1 или задержки его компонентов и при этом для любого временного отрезка Δtʹ при прохождении через блок 18 сигнала источника 1 все его компоненты задерживаются на одно и то же время,
- после импульса Δtʹ блок 18 не осуществляет корреляционной обработки сигналов, при этом сигнал источника 1, проходя через блок 18, задерживается на время, соответствующее вычисленной на предыдущем этапе Δtʹ оптимальной задержке сигнала,
- режим работы блоков 19 не зависит от сигналов устройства 13 управления и определяется только параметрами входных сигналов,
- выходные сигналы блоков 16 определяются параметрами входных сигналов и внутренним состоянием блоков 16.
Рассмотрим работу блока 5 (10), полагая для определенности, что до момента времени t1 на входах блока 5 (10) сигналы, например, отсутствовали, а начиная с указанного момента времени появилась стационарная помеха, например, в виде гула от трансформатора электробытового прибора. Указанным начальным условиям соответствует нулевой уровень сигнала в точке D (фиг. 6). Нулевому значению сигнала в точке D соответствует некоторый коэффициент передачи первого управляемого усилителя 28. Пусть нулевому уровню сигнала в точке D также соответствует, например, середина регулировочной характеристики первого управляемого усилителя 28. Параметры регулировочной характеристики первого управляемого усилителя 28 определяют динамический диапазон оптимизации энергетических параметров сигналов и могут быть выбраны, например, 60 dB, 90 dB или 120 dB.
При аналоговом варианте реализации блоков 19 параметры устройств выбирают из соображений их физической реализуемости и разумных стоимостных и массогабаритных параметров. При цифровом, программном способе реализации блоков 5 (10) параметры выбираются исходя из характеристик используемой ЭВМ (объема памяти, быстродействия), параметров устройств ввода и вывода информации (АЦП и ЦАП) и параметров человека. Например, динамический диапазон первого управляемого усилителя 28 выбирается равным 120 dB, шаг квантования по уровню в соответствии с шагом квантования АЦП.
Относительно момента времени t1 на выходах полосовых фильтров 14, в полосы пропускания которых попали спектральные составляющие помехи, с некоторой задержкой, определяемой полосой пропускания фильтров 14, появляются отфильтрованные сигналы прослушивания, спектр которых определяется выражением где - комплексный коэффициент передачи i-го полосового фильтра 14i. Эти сигналы поступают на первые входы соответствующих блоков 15i и 16i.
С момента времени t1 сигналы источника 1 не претерпевают изменений и остаются равными нулю. Следовательно, на выходах блоков 15 предыскажаемые сигналы источника 1 также остаются равными нулю.
Спектральные компоненты сигнала прослушивания, попавшие в полосу пропускания i-го полосового фильтра 14i, детектируются детектором 25i и преобразуются, например, в импульсы отрицательного напряжения, которые затем сглаживаются ФНЧ 26i так, что управляющий согласованной фильтрацией сигнал (сигнал в точке D, фиг. 6) начинает изменяться - уменьшаться.
Пропорционально изменениям сигнала в точке D происходит изменение коэффициента передачи первого управляемого усилителя 28i. Коэффициент передачи уменьшается. Поскольку уровень сигнала источника 1 на втором входе блока 19, т. е. на входе второго детектора 25i, который имеет обратную полярность (положительную) выходных импульсов по отношению к выходным сигналам первого детектора 25i блока 5 (10), не изменяется, то управляющий согласованной фильтрацией сигнал в данном конкретном случае оказывается функционально зависимым только от уровня компонентов сигнала прослушивания (уровня помех).
Постоянная времени интегрирования ФНЧ 26i блока 19i выбирается одинаковой и определяется низшей частотой полосы анализа сигнала, т.е. низшей частотой полосы пропускания i-го полосового фильтра 14i согласно условию (20)

где fн.14i и Tн.14i - соответственно частота и период нижней частоты полосы пропускания i-го полосового фильтра 14i.
Таким образом, скорость оптимизации энергетического параметра функционально зависит от частоты обрабатываемого сигнала. Например, для частоты в 100 Гц постоянную времени ФНЧ необходимо выбрать не менее 0,01 с, а для частоты 10000 Гц постоянную времени можно уменьшить на два порядка.
В высокоинтеллектуальных алгоритмах обработки сигналов указанный параметр может оптимизироваться самой системой. Критерием оптимизации параметра является минимальное значение СКО сигнала из группы или ансамбля реализаций сигналов при варьировании параметра.
В соответствии с фиг. 6 сигнал, управляющий согласованной фильтрацией, поступает также на управляющий вход второго управляемого усилителя 31i блока 16i формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения. При отрицательном уровне управляющего сигнала, что соответствует рассматриваемому случаю, коэффициент передачи второго управляемого усилителя 31i начинает пропорционально увеличиваться от нуля до некоторого значения.
Таким образом, с момента времени t1 выходной сигнал блока 16i становится отличным от нуля, начинается формирование дополнительных сигналов для активного шумопонижения. Эти сигналы поступают с выходов блоков 31i на входы сумматора 17 и далее, пройдя через все элементы тракта звуковоспроизведения до точки прослушивания, посредством зондирующего устройства 4 (9) и линии связи 6 (11) поступают на первый вход блока 5 (10).
Поскольку задержка, которую приобретает сигнал, проходя через все элементы тракта звуковоспроизведения до точки прослушивания, случайна, то также оказывается случайным приращение уровня сигнала прослушивания при формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения. Например, если акустический, дополнительный сигнал оказался в противофазе с помехой, то уровень результирующего сигнала прослушивания уменьшится и, следовательно, на выходах полосовых фильтров 14i сигнал также уменьшится. Соответственно этим изменениям управляющий работой блоков 28i и 31i сигнал в точке D (фиг. 6) также начнет изменяться.
Важно отметить, что в момент начала формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения состояние фазовращателя 29i также случайное и поэтому необходимо найти оптимальное значение фазы фазовращателя 29i.
Оптимизация фазы в фазовращателе 29i осуществляется следующим образом.
Воспользуемся функциональной схемой выполнения блоков 29 и 30, которая изображена на фиг. 7.
Управляемый фазовращатель содержит: многопозиционный управляемый переключатель 32 и первые дополнительные линии задержки 331, 332,..., 33S. Выходы первых дополнительных линий задержек 33 связаны со входами управляемого многопозиционного переключателя 32. Величина задержек может быть выбрана с некоторым шагом, например постоянным. Величина шага изменения задержек определяет точность оптимизации фазового параметра сигналов.
Число первых дополнительных линий задержек и соответственно величина шага задержки выбирается исходя из психофизиологических способностей человека регистрировать фазовые искажения звуков определенных частот.
Например, шаг дискретизации фазы можно выбрать τ33≃ 0,01Tв (≈ 3,6o), где Tв - высший период в полосе анализа. При аппаратурном варианте реализации блоков 29 возможно уменьшение числа линий задержек 33 на частотах малой восприимчивости человека к фазовым искажениям, а также реализация фазовращателя 29 возможна в варианте с параметрически управляемым R, C или L элементном аналогового фазовращателя 29.
Устройство 30 управления фазовращателем 29 содержит: вторую дополнительную линию задержки 34, дополнительные детекторы 35, дополнительные ФНЧ 36, дополнительную схему сравнения 37.
Входом устройства 30 является общий вход двух ветвей, в одной из которых последовательно связаны первый дополнительный детектор 35 и первый дополнительный ФНЧ 36, в другой - последовательно связаны друг с другом вторая дополнительная линия задержки 34, второй дополнительный детектор 35 и второй дополнительный ФНЧ 36. Выходы дополнительных ФНЧ связаны со входами дополнительных схем сравнения 37.
Работает фазовращающее устройство (фиг. 7) следующим образом.
Многопозиционный управляемый переключатель 32 осуществляет последовательное переключение контактов в прямом по отношению к номерам линий задержек или в обратном порядке. Период переключений целесообразно выбрать больше чем максимально возможное время прохождения сигнала через весь тракт звуковоспроизведения, чтобы исключить условия возникновения паразитного возбуждения системы при активном шумопонижении, например выбрать значение параметра T32 порядка 0,02 с.
Управление переключателем 32 осуществляется сигналом с выхода дополнительной схемы сравнения 37 по правилу: при поступлении очередного сигнала порядок переключения линий задержек 33 изменяется на обратный.
Таким образом, в предложенном варианте реализации управляемого фазовращателя 29 величина задержки сигнала на его выходе по отношению ко входному сигналу функционально зависит от сигналов прослушивания сдвинутых во времени друг относительно друга на величину задержки τ34.
Действительно, в устройстве 30 сигнал прослушивания и задержанный на время τ34 сигнал прослушивания детектируются и интегрируются в разных цепях, образуя входные сигналы для дополнительной схемы сравнения 37. Выходной сигнал схемы сравнения 37 формируется, если разность входных сигналов, т.е. энергий сигналов прослушивания и задержанного сигнала прослушивания становится больше нуля. Это означает, что введенная на очередном шаге фазовой оптимизации дополнительного сигнала прослушивания задержка уже стала неоптимальной. Другими словами, пока разность между энергиями сигналов прослушивания и задержанным сигналом прослушивания меньше нуля, происходит последовательное (итерационное) приближение к оптимальной фазе (временному параметру) дополнительного сигнала для активного шумопонижения или, иначе, приближение к точке экстремума функции сигнала прослушивания (шума). Если указанная разность становится больше нуля, то это означает, что в процессе изменения фазы дополнительного сигнала для активного шумопонижения точка экстремума функции энергии сигнала прослушивания уже пройдена и необходимо вновь начать поиск оптимальной фазы, изменив на обратный порядок процесса экспериментального подбора фазы дополнительного сигнала для активного шумопонижения.
В соответствии с этим алгоритмом после процесса поиска оптимальной фазы происходит процесс ее автоматического удержания (захвата).
Величину времени задержки во второй дополнительной линии задержки 34, а также постоянную времени ФНЧ 36 целесообразно выбрать меньше периода T32 переключения контактов многопозиционного управляемого переключателя 32, а также исходя из требований к уровню шумопонижения и максимально достижимой разрешающей способности вычитающего узла схемы сравнения 37 различать уровни входных сигналов.
При реализации управляемого фазовращателя 29 возможно использование любых известных численных методов поиска экстремума функции, например, с использованием переменного шага изменения фазового параметра.
Понятно, что описанный выше способ активного шумопонижения звуковых сигналов применим для понижения уровня сигналов любой физической природы и может быть сформулирован в следующем виде.
Способ оптимального, пространственного, активного понижения уровня сигналов любой физической природы заключается в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала и формировании дополнительного электрического сигнала для активного понижения уровня сигнала, его усилении, преобразовании в сигнал той же физической природы и излучении до точки пространства приема сигналов.
Вновь возвращаясь к описанию работы блока 5 (10), отметим, что в результате двухпараметрической, многополосной оптимизации фазовых и энергетических параметров сигналов система звуковоспроизведения осуществляет подавление стационарной помехи с заданной точностью.
Если помеха нестационарная, с изменяющимися параметрами, то работа блока 5 (10) аналогична уже описанному случаю с той лишь разницей, что в блоке 5 (10) происходит непрерывный процесс отслеживания параметров помех.
В вариантах выполнения блоков 5 (10) целесообразно осуществлять управление работой блоков 28 и 31 не с помощью общих для них узлов 25, 26, 27, а посредством аналогичных дополнительных узлов, но с различными значениями постоянной времени автоматического регулирования.
В высокоинтеллектуальных алгоритмах указанные параметры могут в автоматическом режиме варьироваться, анализироваться и устанавливаться оптимальным образом.
Критерием оптимизации является минимум СКО за время анализа.
Ситуация, при которой отсутствует сигнал прослушивания при наличии сигнала источника 1, может иметь место при неисправности системы или когда слушатель вместе с зондирующим устройством 4 (9) удаляется из помещения прослушивания.
В этих условиях работа блоков 5 и 10 сводится к автоматическому увеличению уровня сигнала источника 1 на выходе блока 5 (10) до максимального или, если присутствуют шумы, до промежуточного значения. Сигнал в точке D также возрастает до своего максимального значения. Скорость нарастания указанных сигналов определяется постоянной времени ФНЧ 26. Блок 31 закрыт и формирование сигналов для активного шумопонижения не происходит.
Рассмотрение данной ситуации позволяет сформулировать дополнительные требования, которые целесообразно учесть при синтезе алгоритма обработки сигналов.
Если при увеличении коэффициента передачи сигнала источника 1 uист(t) не происходит пропорционального увеличения сигнала прослушивания u'(t), то это означает, что оптимизация звуковоспроизведения становится принципиально невозможной, поскольку нарушен принцип причины и следствия, и в процессе работы системы необходимо ввести коррекцию, например выключить ее.
Рассмотренный случай может возникнуть на практике, например, когда в автомобильной оптимальной звуковоспроизводящей системе произошел обрыв провода, идущего от УНЧ 2 (7) к громкоговорителю 3 (8) или возникло нарушение работы в других электрических цепях.
В момент прерывания передачи сигнала источника 1 в блоке 5 (10) будет происходить резкое увеличение коэффициента его передачи и блок 5 (10) будет стремиться компенсировать уменьшение энергетики сигнала в точке прослушивания, и при восстановлении нарушенной связи в электрической части тракта звуковоспроизведения, например вследствие вибрации и тряски кузова автомобиля, сигнал максимального уровня поступит в точку прослушивания. Резкое, скачкообразное изменение уровня громкости окажет отрицательное психофизиологическое воздействие на водителя (он может испугаться), а также понизит уровень безопасности эксплуатации автомобиля.
При эксплуатации традиционных звуковоспроизводящих систем подобная ситуация также может иметь место. Прерывающийся сигнал пусть даже и не максимального, а номинального уровня громкости также будет раздражать и отвлекать водителя от управления транспортным средством.
Поэтому в целях повышения безопасности автотранспортных средств целесообразно предусмотреть в алгоритмах оптимальной обработки сигналов процесс самотестирования и самоконтроля ее работы.
Рассмотренные примеры работы блока 5 (10) показывают, что звуковоспроизводящие системы подобного типа можно устанавливать в салоны автомобилей и других транспортных средств (например, в тракторы) как эффективные шумопонижающие системы, повышающие эргономические показатели этих машин. Для того чтобы водитель имел возможность слышать внешние звуковые сигналы, в качестве источника 1 сигнала может быть использовано устройство в виде наружного микрофона с соответствующей диаграммой направленности и частотно-корректирующим микрофонным усилителем.
Рассмотрим работу блока 5 (10) в условиях звуковоспроизведения сигналов источника 1 при воздействии помех и шумов.
При одновременном появлении сигналов источника 1 и сигнала прослушивания, содержащего помехи, сигналы на выходах полосовых фильтров 14i, в полосы которых попали компоненты этих сигналов, поступают на блоки 15i и 16i.
На выходе бока 31i и на соответствующем входе сумматора 17 уровень дополнительного сигнала определяется уровнем сигнала в точке D, т.е. соотношением сигнал/шум (помеха).
В течение времени Δtʹ в блоке 18i осуществляется корреляционная обработка сигналов.
Посредством выходного сигнала схемы анализа 23, который формируется относительно фронтов импульсов Δtʹ и Δtʺ, схема коммутации 24i подключает на выход блока 18i задержанный посредством линии задержки 20iη сигнал источника 1, где в общем случае 1<η><z (фиг. 6).
Указанные узлы (20iη, 24i) образуют описанную выше сигнальную линию и управляемый переключатель одной из ветвей "белого ящика" (блока 5 (10)).
Целесообразно, чтобы первоначальная величина задержки сигнала на выходе линии задержки 20iη и, следовательно, на выходе блока 18i удовлетворяла условию (22)

где среднее время прохождения сигнала через тракт звуковоспроизведения (определяется, в основном, временем прохождения прямой звуковой волны от громкоговорителя 3 (8) до точки прослушивания).
Условие (22) получено из следующих соображений. В условиях случайного удаления слушателя от громкоговорителей 3 (8) целесообразно в качестве начальных условий функционирования системы задавать первоначальное значение задержки сигнала (на этапе зондирования), соответствующее наиболее вероятному удалению слушателя от громкоговорителя 3 (8), например, соответствующее середине максимальной расчетной удаленности с тем, чтобы минимизировать временные искажения (в виде сдвига) сигнала, которые неизбежно затем возникнут при первом переключении в режим оптимального звуковоспроизведения. В последующем, указанную задержку сигнала следует устанавливать ближайшего значения к уже измеренной на предыдущем этапе ее вычисления задержке. Но поскольку для различных полос анализа указанные задержки вероятней всего будут различными, а для получения истинных значений задержек необходимо, на время Δtʹ, во всех частотных каналах обработки сигналов установить одну и ту же величину задержки компонентов сигнала источника 1, то после окончания отрезка времени Δtʹ следует организовать процесс вычисления оптимального значения задержки сигнала для следующего, очередного периода Δtʹ зондирования тракта звуковоспроизведения и нахождения оптимального значения задержки компонентов сигнала.
В основе алгоритма подобного вычисления задержек компонентов сигнала может быть, например, алгоритм нахождения среднеарифметического по всем значениям задержек или в виде более сложных алгоритмов - вычисления средневзвешенной задержки, где каждой задержке в соответствии, например, с графиком кривой равной громкости присваивается весовой коэффициент для того, чтобы при переключении очередной комбинации частотно-скорректированных задержек минимизировать способность человека улавливать искажения сигнала при относительном сдвиге его компонентов. Например, если при трехполосном анализе фактическая задержка на частоте 100 Гц составила 0,015 с, на частоте 1000 Гц - 0,0155 с, на частоте 10000 Гц - 0,016 с, а весовые коэффициенты для этих частот составляют, например, 1, 5 и 2, то оптимальная задержка для отрезка времени Δtʺ составит соответственно: 0,016 с; 0,0155 с и 0,015 с, а для последующего отрезка Δtʹ оптимальная задержка для всех частот равна 0,0155625 с.
С выхода схемы коммутации 24i оптимально задержанный сигнал источника 1 через первый управляемый усилитель 28i и сумматор 17 поступает на выход блока 5 (10) и далее, пройдя через другие звенья тракта звуковоспроизведения, достигает точки прослушивания. Посредством зондирующего устройства 4 (9) и линии связи 6 (11) сигнал поступает на первый вход блока 5 (10) и с выхода соответствующего полосового фильтра 14i вновь на первый вход блока 15i.
Если к этому моменту еще не закончился этап корреляционной обработки сигналов, то в соответствии со схемой (фиг. 6) задержанные с помощью линий задержек сигналы источника 1 умножаются на сигналы прослушивания и затем фильтруются посредством ФНЧ 22i.
На входах схемы анализа 23 формируются сигналы, уровни которых определяют степень коррелированности сигналов. В схеме анализа 23 осуществляется нахождение максимального сигнала и ему соответствующей задержки сигнала в тракте, рассчитывается оптимальная задержка и формируется выходной сигнал схемы 23, который поступает на вход блока коммутации 24i относительно заднего фронта импульса Δtʹ. С этого момента времени блоки коммутации 24 подключают на выходы блоков 18 расчетные задержки и по завершению отрезка Δtʺ единую для всех блоков 18 задержку.
Во время оптимизации временных параметров работа блока 19i оптимизации энергетических параметров может происходить по уже описанному алгоритму независимо от состояния блока 18i. Влияние блока 19i на параметры сигнала в точке прослушивания, в данной полосе анализа, сводится к амплитудной модуляции соответствующих спектральных компонентов сигнала прослушивания. Эта дополнительная модуляция сигнала не сказывается на результатах корреляционной обработки потому, что является медленным процессом. За счет прерывания во времени процесса передачи сигнала, его многополосного анализа и преобразования, удалось разорвать взаимосвязь между АЧХ, ФЧХ и переходной характеристиками блока 5 (10). Другими словами, если в традиционных системах обработки сигналов (в аналоговых или цифровых) начать изменять, например, АЧХ, то автоматически начнут изменяться и другие показатели, например ФЧХ, потому, что время для одноканальных устройств (четырехполюсников) представляет собой одномерный, монотонно возрастающий параметр (непрерывный в случае аналоговых устройств и дискретный для цифровых), а за счет введения многополосного анализа, преобразования сигналов и прерывания времени в соответствии с (14), т. е. за счет введения фактически второй оси времени, удалось разорвать взаимосвязь и взаимозависимость временных показателей от энергетических. Указанное справедливо только для компонентов сигнала, попадающих в различные полосы анализа. Для компонентов сигнала внутри указанных полос анализа взаимосвязь АЧХ, ФЧХ и переходной характеристик осталась неизменной.
При сужении полосы пропускания полосовых фильтров 14 время задержки сигнала при прохождении его через фильтры 14 увеличивается. Соответственно увеличивается инерционность работы блока 5 (10) и всей звуковоспроизводящей системы.
Таким образом, ширина полосы пропускания полосовых фильтров 14 должна выбираться исходя из конкретных условий звуковоспроизведения и динамики изменения параметров сигналов. При синтезе высокоинтеллектуальных алгоритмов целесообразно предусмотреть возможность оптимизации указанных параметров блока 5 (10). В программном варианте управления процессом обработки сигналов указанная оптимизация может осуществляться с помощью соответствующей подпрограммы, в которой, например, периодически изменяются полосы пропускания (и соответственно их число) фильтров 14, вычисляется СКО сигнала прослушивания от сигнала источника 1 и находятся оптимальные значения полос, обеспечивающие наименьшее значение СКО по всем экспериментальным данным. В дальнейшем, в зависимости от выбранного алгоритма число и ширина полос пропускания полосовых фильтров 14 могут автоматически устанавливаться на некоторое время квазиоптимальной работы системы, например на 120 с. По истечении указанного времени процесс оптимизации параметров блока 5 (10) возобновляется, а результаты, например, накапливаются в памяти машины в виде статистических данных по соответствующему параметру. Эти данные можно использовать в алгоритмах экстраполяции параметров сигналов и параметров блока 5 (10) обработки сигналов.
В зависимости от управляющего напряжения сигнала в точке D (фиг. 6), в котором заложена информация о усредненном за достаточно короткий отрезок времени соотношении сигнал/шум (помеха), на отрезке времени Δtʺ происходит оптимальное звуковоспроизведение сигнала. Например, если уровень помехи значительно меньше уровня сигнала источника 1, то в первом управляемом усилителе 28i коэффициент усиления несколько изменяется: а) если в точке прослушивания слабая помеха и сигнал в фазе, то несколько уменьшается; б) если в точке прослушивания слабая помеха и сигнал в противофазе, то несколько увеличивается. При слабой помехе второй управляемый усилитель 31i закрыт и активного понижения шумов и помех не происходит.
Если уровень помех высок и, например, равен уровню сигнала источника, то: а) если сигнал источника и сигнал помехи в фазе, то происходит уменьшение сигнала источника 1 до нуля, и в это время слушатель воспринимает (по энергетике) соответствующие акустические компоненты помехи, как воспринимал бы он сигнал громкоговорителя или как в прошлом звучали сигналы первоисточников звуков; б) если сигнал источника 1 и сигнал помехи в противофазе, то происходит увеличение уровня сигнала в два раза.
Если уровень помехи много больше уровня сигнала, то уровень сигнала в точке D начинает уменьшаться и первый управляемый усилитель 28i закрывается. В тот момент времени, когда напряжение в точке D становится отрицательным, начинается формирование на выходе второго управляемого усилителя 31i и, следовательно, на выходе блока 16i дополнительного электрического сигнала для активного шумопонижения, описанное выше. Если компоненты сигнала источника 1 попадают в полосу анализа, то в этой полосе частотного диапазона подавление помех осуществляется частично.
Таким образом, при обработке сигналов в системе звуковоспроизведения взвешенное (для всей полосы звуковоспроизведения) отношение сигнал/шум (помеха) возрастает, а СКО сигнала в точке (точках) прослушивания уменьшается.
Обобщая рассмотренные примеры взаимодействия узлов блока 5 (10) обработки сигналов для случая динамичного изменения параметров сигнала источника 1 и сигнала прослушивания, можно образно сравнить работу системы оптимального звуковоспроизведения с функционированием разумного или интеллектуального организма по универсальным логическим правилам.
Пример решения частной технической задачи повышения качества передачи звуковой информации (звуковоспроизведения), в результате которого были найдены оптимальные способы и системы для их осуществления (машины), в соответствии с фундаментальным кибернетическим принципом подобия должны также являться оптимальными решениями (совокупностью существенных признаков) для других частных кибернетических задач, например решения задачи повышения качества визуального воспроизведения сигналов, сигналов осязания и сигналов, поступающих к человеку по другим каналам информационного восприятия окружающей действительности, совместного решения всех перечисленных выше задач для синтеза машины времени, а также могут использоваться для повышения эффективности управления в общественных системах: на предприятии, в отрасли, государстве, мире и т.д.
Таким образом, существенные признаки любой оптимальной информационной системы соответствующего типа можно сформулировать в виде следующего способа передачи информационных сообщений.
Способ оптимальной передачи сообщений любой физической природы в канале со случайными параметрами, заключающийся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, согласованной фильтрации электрических сигналов источника, их усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, передаче этих сигналов через канал со случайными параметрами в точку приема, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал, передачи принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, отличающийся тем, что формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают в канал со случайными параметрами до точки приема сообщений.
Промышленная применимость
Предложенные способы и системы для их осуществления могут быть использованы в различных областях техники, связанных с обработкой информации, например в радиотехнике для качественного звуковоспроизведения сигналов, в робототехнике, в автомобилестроении для усовершенствования систем управления узлами и агрегатами (например, для усовершенствования активной подвески, систем безопасности и эргономичности автомобиля, систем "автопилота" и т.д.).
Способы могут использоваться для синтеза более совершенных систем вооружений (систем наведения на цель, слежения и т.д.).
Способы могут использоваться в вычислительной технике для создания тренажерных или развлекательных, виртуальных систем и правдоподобных компьютерных игр.
Формула изобретения: 1. Способ оптимального звуковоспроизведения, заключающийся в согласованной фильтрации электрического сигнала источника, усилении, преобразовании усиленного сигнала источника в звуковой сигнал, его излучении, приеме и преобразовании в точке прослушивания совокупного звукового сигнала - прямых и переотраженных звуковых волн излученного сигнала источника, а также звуковых волн помех и шумов в электрический сигнал прослушивания, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника и прослушивании, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, отличающийся тем, что формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в звуковые сигналы и излучают до точки приема совокупного звукового сигнала.
2. Система оптимального звуковоспроизведения, содержащая источник сигнала и канал звуковоспроизведения, выполненный в виде усилителя низкой частоты и громкоговорителя, связанных последовательно, зондирующего устройства, блока обработки сигналов, выполненного с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника, линии связи, при этом выход зондирующего устройства посредством линии связи подключен к первому входу блока обработки сигналов, ко второму входу блока обработки сигналов подключен выход источника сигнала, а выход блока обработки сигналов связан со входом усилителя низкой частоты, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью формирования на его выходе дополнительных сигналов для активного шумопонижения в точке установки зондирующего устройства.
3. Система оптимального звуковоспроизведения по п.2, отличающаяся тем, что источник сигнала выполнен с по крайней мере одним дополнительным выходом для многоканального звуковоспроизведения, дополнительно введен соответственно числу дополнительных выходов источника сигнала по крайней мере один дополнительный канал звуковоспроизведения, выполненный в виде дополнительного усилителя низкой частоты и дополнительного громкоговорителя, связанных последовательно, а также дополнительное зондирующее устройство, дополнительный блок обработки сигналов, выполненный с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника и формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, дополнительной линии связи, выход дополнительного зондирующего устройства посредством дополнительной линии связи подключен к первому входу дополнительного блока обработки сигналов, дополнительный выход источника сигнала подсоединен ко второму входу дополнительного блока обработки сигналов, выход дополнительного блока обработки сигналов связан с входом дополнительного усилителя низкой частоты.
4. Система оптимального звуковоспроизведения по п.3, отличающаяся тем, что источник сигнала выполнен с возможностью коммутации выходных сигналов для изменения порядка их подключения к каналам звуковоспроизведения.
5. Система оптимального звуковоспроизведения по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно введен генератор сигнала, подключенный к третьему входу блока обработки сигналов.
6. Система оптимального звуковоспроизведения по п.3, отличающаяся тем, что дополнительно введен генератор сигнала, подключенный к третьему входу блока обработки сигналов и к третьему входу дополнительного блока обработки сигналов.
7. Система оптимального звуковоспроизведения по п.3, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов, линия связи, зондирующее устройство, дополнительный блок обработки сигналов, дополнительная линия связи, дополнительное зондирующее устройство функционально объединены в блок оптимальной обработки сигналов для поблочной комплектации системы.
8. Система оптимального звуковоспроизведения по пп.3, 6 или 7, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов выполнены в виде многоканального аналого-цифрового преобразователя, ЭВМ с программным обеспечением и многоканального цифроаналогового преобразователя, связанных последовательно, при этом число входов аналого-цифрового преобразователя в два раза больше, а число каналов цифроаналогового преобразователя равно числу каналов звуковоспроизведения.
9. Система оптимального звуковоспроизведения по п.2 или 3, отличающаяся тем, что источник сигнала выполнен с возможностью регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах.
10. Система оптимального звуковоспроизведения по п.2 или 3, отличающаяся тем, что источник сигнала выполнен с возможностью шумопонижения.
11. Система оптимального звуковоспроизведения по п.2 или 3, отличающаяся тем, что источник сигнала выполнен с возможностью автоматического регулирования уровней его выходных сигналов.
12. Система оптимального звуковоспроизведения по п.2 или 3, отличающаяся тем, что источник сигнала выполнен с возможностью автоматического регулирования уровней в неавтоматического регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах.
13. Система оптимального звуковоспроизведения по п.2 или 3, отличающаяся тем, что источник сигнала выполнен с возможностью регулирования уровней сигналов на его выходах для регулирования уровня громкости в точке прослушивания.
14. Система оптимального звуковоспроизведения по п.3, отличающаяся тем, что зондирующее устройство и дополнительное зондирующее устройство или линия связи и дополнительная линия связи выполнены с возможностью регулирования коэффициента передачи для регулирования уровня громкости в точке прослушивания.
15. Система оптимального звуковоспроизведения по п.13 или 14, отличающаяся тем, что регулирование коэффициентов передач выполнено тонкопенсированным.
16. Система оптимального звуковоспроизведения по п.3 или 8, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных или фазочастотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для оптимизации энергетических или временных (фазовых) параметров сигналов.
17. Система оптимального звуковоспроизведения по п.3 или 8, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для полнопараметрической оптимизации сигналов.
18. Способ оптимального, пространственного, активного понижения уровня сигналов любой физической природы заключается в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала и формировании дополнительного электрического сигнала для активного понижения уровня сигнала, его усилении, преобразовании в сигнал той же физической природы и излучении до точки пространства приема сигналов.
19. Способ оптимальной передачи сообщений любой физической природы в канале со случайными параметрами, заключающийся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, согласованной фильтрации электрических сигналов источника, их усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, передаче этих сигналов через канал со случайными параметрами в точку приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, отличающийся тем, что формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают в канал со случайными параметрами до точки приема сообщений.