АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И СПОСОБ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
ACOUSTIC PLAYBACK DEVICE AND METHOD OF REPRODUCING ACOUSTIC SIGNAL

Изобретение относится к акустическому устройству воспроизведения и к способу воспроизведения акустического сигнала. При этом акустическое устройство воспроизведения содержит отдельные возбудители колебаний, связанные с колебательным телом и управляемые блоком управления. Под возбудителем колебаний далее будет пониматься по существу плоскостное, самонесущее, легкое и жесткое на изгиб тело, которое может возбуждаться для создания колебаний, в частности стекло, дерево, пластик.
Из DE 484872 известно устройство для акустической витринной рекламы. При этом колебательная катушка, выполненная как возбудитель колебаний, жестко связана с витринным стеклом, выполненным как колебательное тело. Посредством блока управления колебательная катушка возбуждается для генерации колебаний, которые передаются на витринное стекло. При этом витринное стекло излучает прослушиваемый спектр звучания. Посредством одного или более возбудителей колебаний можно также привести в колебания изготовленное из другого материала колебательное тело и, тем самым, обеспечить излучение спектра звучания. Так, можно, например, возбудить изготовленные из дерева или пластика пластинчатые колебательные элементы для генерации колебаний. Подобное акустическое устройство воспроизведения также называется плоским динамиком. Один или более таких плоских динамиков можно, например, встроить в оснащение помещения в качестве обшивки стен и потолка. Таким образом, реализуется акустическое устройство воспроизведения с малыми габаритами.
К недостаткам подобных плоских акустических систем следует отнести их нелинейные акустические свойства. Это приводит к тому, что, в частности, очень высокие и очень низкие частоты не воспроизводятся или воспроизводятся в недостаточной степени.
Из ЕР 1169884 В1 известен плоский громкоговоритель, в котором нелинейности воспроизведения частотного спектра, способного к колебаниям колебательного тела, корректируются расчетным путем с помощью способа коррекции. Для этого в блоке управления вычисляется корректирующая функция с подлежащим воспроизведению акустическим сигналом. Таким способом можно генерировать акустический сигнал, оптимизированный согласно акустическим свойствам колебательного тела.
Недостатком, однако, является то, что для каждой конструктивной формы колебательного тела должны проводиться опыты, требующие высоких затрат, связанные с его колебательными характеристиками. Кроме того, блок управления для подстройки сигнала полосы частот является сравнительно дорогостоящим. Для пересчета аналоговый сигнал полосы частот сначала посредством аналого-цифрового преобразования преобразуется в цифровой сигнал ширины полосы. Затем он посредством высокоразрешающего и поэтому более дорогостоящего процессора сигналов настраивается и, наконец, с помощью цифроаналогового преобразователя вновь преобразуется в аналоговый сигнал полосы частот. При необходимости аналоговый сигнал посредством частотного разветвителя разделяется для нагружения нескольких возбудителей колебаний.
Из US 2002/0191807 А1 известен громкоговоритель с несколькими возбудителями звука, в котором воспроизводимый аудиосигнал разделяется на частотные полосы, причем с каждым возбудителем звука сопоставлен смеситель, в котором из частотных полос синтезируется сигнал, посылаемый на возбудитель.
В основе изобретения лежит задача создания технически упрощенного и, тем самым, экономичного устройства воспроизведения с отдельными, связанными с колебательным телом и управляемыми посредством блока управления возбудителями колебаний.
Эта задача решается в соответствии с изобретением акустическим устройством воспроизведения по пункту 1 формулы изобретения. Для этого сигнал полосы частот разлагается на сигналы частичных полос, которые по своим частотам частично перекрываются или не перекрываются. Далее предусмотрен блок управления, который выполнен таким образом, чтобы выполнять группирование сигналов частичных полос и управлять каждым возбудителем колебаний с помощью группы сигналов частичных полос. При этом группа включает в себя, по меньшей мере, один сигнал частичной полосы. Возбудители колебаний размещены на выполненном однородным колебательном теле. Под «выполненным однородным» при этом понимается то, что колебательное тело по всей своей площади выполнено одинаково, то есть, например, из одного материала, и поэтому, в частности, имеет одинаковые колебательные свойства.
Понятие «сигнал частичной полосы» обозначает сигнал полосы частот для ограниченного частотного диапазона. Тем самым, можно выполнить согласованную по частоте обработку отдельных сигналов частичных полос в блоке управления. Обработка сигнала частичной полосы из диапазона более низких частот может, таким образом, осуществляться значительно медленнее, чем обработка сигнала частичной полосы более высоких частот. Таким способом блок управления в единицу времени, по сравнению с блоком управления согласно уровню техники, должен обрабатывать меньшее количество данных. Так, соотнесенный с блоком управления цифровой процессор сигналов может выполняться с меньшей производительностью, что приводит в результате к более низкой цене для процессора сигналов. Более низкая производительность процессора сигналов имеет следствием то, что встроенные в блок управления дополнительные электронные компоненты не будут быстро перегреваться. Таким образом, эти электронные компоненты при повышенном сроке службы могут быть спроектированы более экономичными. Так как все колебания в колебательном теле накладываются одно на другое, этот способ действия не приводит к потере качества при воспроизведении спектра звучания. Ввиду более низкой производительности процессора снижается потребление тока процессора сигналов. Если желательна только низкая мощность воспроизведения, то блок управления и процессор сигналов могут эксплуатироваться в режиме питания от батареи в течение достаточно длительного времени. Так как, кроме того, не требуется дорогостоящего охлаждения для блока управления с его электронными компонентами посредством охлаждающего устройства или подобное охлаждающее устройство может быть выполнено более простым способом, то акустическое устройство воспроизведения может быть выполнено конструктивно сравнительно малогабаритным и простым. Ввиду возможной миниатюризации акустического устройства воспроизведения могут быть реализованы новые области применения, в частности в мобильной области.
Другое преимущество разделения на сигналы частичных полос следует усматривать в том, что отдельные возбудители колебаний предпочтительно согласованы с ограниченным частотным диапазоном соответствующей группы сигналов частичных полос, так что отдельные возбудители колебаний могут выполняться просто и, следовательно, экономично.
Также не требуются специальные меры при выполнении колебательного тела, также не является необходимым и не нужно предусматривать, чтобы его выполнять неоднородным для воспроизведения желательного спектра звучания и в зависимости от площади предусматривать различный режим колебаний колебательного тела.
При этом сигналы частичных полос являются цифровыми сигналами. Эти цифровые сигналы могут также вырабатываться в процессе цифрового преобразования и затем разлагаться на сигналы частичных полос. Таким путем становится возможной прямая обработка полученных обычными способами цифровых сигналов полосы частот с сокращенным объемом данных и разложенных на сигналы частичных полос посредством цифрового процессора сигналов. При этом речь идет о цифровых сигналах частичных полос, кодированных, например, по стандарту МР3 или по стандарту Dolby-AC3. Так, при кодировании по стандарту МР3 осуществляется разложение сигнала полосы частот на 32 сигнала частичных полос. Стандарт МР3 специфицирован в ISO 11172-3. Стандарт служит для кодирования звуковой дорожки в кинотехнике. Он описан в Whitepaper, Advanced Television Systems Committee от 14 июня 2005 г. Оба стандарта для кодирования аудиосигналов хорошо зарекомендовали себя за прошедшие годы и обеспечивают высокое сжатие данных. Для обоих способов кодирования в спецификации содержится информация, по какому алгоритму осуществляется разделение сигнала полосы частот на сигналы частичных полос и в какой степени перекрываются соседние сигналы частичных полос. Кроме того, цифровые кодированные аудиосигналы могут обрабатываться непосредственно в блоке управления посредством цифрового процессора сигналов. Требующее затрат времени и средств подключение аналого-цифрового преобразователя перед цифровым процессором сигналов не является необходимым и не предусматривается.
Если сигналы частичных полос являются цифровыми сигналами, то предпочтительным образом каждой группе сигналов частичных полос соответствует цифровой корректирующий сигнал. Таким способом можно каждый цифровой корректирующий сигнал со своей соответствующей группой сигналов частичных полос пересчитать с помощью отдельного цифрового процессора сигналов. Таким способом можно каждую группу сигналов частичных полос оптимальным образом согласовать с частотной характеристикой колебательного тела. Также нелинейности в колебательном поведении возбудителей колебаний могут компенсироваться более простым способом.
Так как группа сигналов частичных полос представляет только часть частотного спектра, то перерасчет с ее соответствующим корректирующим сигналом может проводиться намного быстрее. Кроме того, корректирующий сигнал для ограниченного диапазона полосы частот может быть математически определен намного более точно, чем для всей полосы частот. Следовательно, для отдельного цифрового процессора сигналов, который предназначен для перерасчета цифрового корректирующего сигнала с группой сигналов частичных полос, требуется заметно более низкое цифровое разрешение. Правда, для каждой частичной полосы необходим подобный цифровой процессор сигналов. Однако обеспечение множества подобных, со сравнительно низким разрешением, цифровых процессоров сигналов является более экономичным, чем предоставление одного или нескольких высокоразрешающих процессоров сигналов, так что блок управления в целом может быть выполнен более экономично. Ввиду параллельной конфигурации цифровых процессоров сигналов для цифровых корректирующих сигналов в единицу времени может также обрабатываться больше информации, так что главный процессор, управляющий цифровыми процессорами сигналов, может иметь меньшую вычислительную мощность и, следовательно, может изготавливаться с меньшими затратами.
При этом каждому возбудителю колебаний соответствует цифроаналоговый преобразователь для преобразования его соответствующей группы сигналов частичных полос. Таким образом, возможна непосредственная обработка каждой группы сигналов частичных полос. Дополнительная подготовка группы сигналов частичных полос не требуется. Кроме того, цифроаналоговый преобразователь и его соответствующий возбудитель колебаний можно настроить точно на частотный диапазон, соответствующий группе сигналов частичных полос. Возбудитель колебаний и цифроаналоговый преобразователь могут, таким образом, выполняться просто и/или генерировать спектр звучания высокого качества.
В дальнейшем развитии сигналы частичных полос сокращаются по объему данных. Под сигналом частичной полосы с сокращенным объемом данных понимается сигнал, который, ввиду соответствующей обработки, содержит меньше данных, чем первоначальный акустический сигнал. Тем самым, процессор сигналов, соответствующий блоку управления, может работать с еще более низкой производительностью обработки, так как должно обрабатываться меньше данных.
Сигнал полосы частот, нагружающий блок управления и разложенный на сигналы частичных полос, передается на блок управления посредством кабельного соединения или беспроводным способом. Таким образом, передача сигнала полосы частот на встроенную конструкцию акустического устройства воспроизведения может адаптироваться простым способом.
В дальнейшем целесообразном развитии возбудители колебаний выполнены как пьезопреобразователи. Эти пьезопреобразователи закрепляются на колебательном теле, например приклеиваются. Каждый пьезопреобразователь нагружается аналоговым сигналом. Тем самым, он изменяет свой объем в очень короткие интервалы времени. Ввиду связи пьезопреобразователя с колебательным телом последнее приводится в колебания. Так как все пьезопреобразователи управляются одновременно, то колебания, передаваемые на колебательное тело, перекрываются. Эти колебания излучаются как спектр звучания. Посредством свойств отдельных пьезопреобразователей, в частности их величины и их материала, может задаваться воспроизводимый частотный диапазон. Таким образом, посредством нескольких настроенных друг за другом пьезопреобразователей, которые соответственно оптимизированы на воспроизведение группы сигналов частичных полос, может воспроизводиться весь сигнал полосы частот. Пьезопреобразователи могут изготавливаться простым и экономичным способом. Кроме того, таким способом можно реализовать акустическое устройство воспроизведения с очень малыми габаритами.
В дальнейшем целесообразном развитии колебательное тело акустического устройства воспроизведения выполнено в форме карточки. Таким способом акустическое устройство воспроизведения может наноситься на чековую карточку, на товарную упаковку или на чип-карту. Так, в случае чековой карточки пользователю через акустическое устройство воспроизведения могут сообщаться указания о действиях для процесса снятия денег со счета. Если акустическое устройство воспроизведения размещено на кредитной карточке, то пользователю таким способом может сообщаться об истечении срока кредитной карточки. Кроме того, предпочтительной является выдача акустической информации на выполненный в виде микропереключателя пьезопреобразователь, который вырабатывает электрическую энергию для воспроизведения в течение заданного интервала времени и с помощью которого пользователь сам может инициировать акустическое воспроизведение.
В другом варианте колебательное тело изготовлено из текстильного волокна. Так, можно акустическое устройство воспроизведения разместить, например, на предмете одежды. Таким способом акустическое устройство воспроизведения, например МР3-проигрывающее устройство, может быть непосредственно интегрировано в предмет одежды, например куртку. Ввиду сравнительно сильного свойства затухания текстильного волокна целесообразным представляется размещение акустического устройства воспроизведения в области воротника куртки, чтобы реализовать воспроизведение с достаточной силой звука.
В принципе можно все тело с плоскостной протяженностью использовать для акустического устройства воспроизведения в качестве колебательного тела, если оно в достаточной степени может возбуждаться для формирования колебаний. Кроме того, также можно размещенное на колебательном теле в форме карточки акустическое устройство воспроизведения вместе с этой карточкой прикрепить к более крупному объекту. Если колебательное тело в форме карточки прикрепить к другому объекту таким образом, что оно от этого другого объекта, по меньшей мере, частично развязано относительно колебаний, то можно в значительной мере задавать акустические свойства воспроизведения акустического устройства воспроизведения.
В другом варианте акустическое устройство воспроизведения выполнено как медицинский слуховой аппарат. Для этого акустическое устройство воспроизведения присоединяется, например, непосредственно на кость черепа или вблизи кости черепа, чтобы привести ее в колебания. Таким образом, может возбуждаться внутреннее ухо человека. Обходной путь через стимулирование слуховых косточек, как это происходит в обычных слуховых аппаратах, не требуется. И человеку, у которого слуховые косточки необратимо повреждены, тем самым, может быть возращено слуховое восприятие.
Акустическое устройство воспроизведения наносится, например, на пленочный носитель, который посредством оперативного вмешательства прикрепляется на слуховой косточке, в частности приклеивается. В другом варианте слуховая косточка приводится в колебание посредством внешнего устройства. Это внешнее устройство может быть встроено, например, в дужку очков, которая за ухом прилегает к черепу и приводит в колебания находящиеся там кости черепа. Но оно может также размещаться в отдельном корпусе, который подобно обычному слуховому аппарату размещается вблизи уха, например подвешивается за ухом.
Указанная задача также решается способом воспроизведения частотного сигнала, разлагаемого на частичные полосы, посредством акустического устройства воспроизведения по одному из предыдущих пунктов. Преимущества и варианты осуществления, приведенные для акустического устройства воспроизведения, могут быть также сообразно перенесены на способ.
Далее четыре примера выполнения изобретения описаны со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1 - первое акустическое устройство воспроизведения с колебательным телом, сформированным любым образом,
фиг.2 - деталь из фиг.1,
фиг.3 - второе акустическое устройство воспроизведения с колебательным телом в форме эллипса,
фиг.4 - третье акустическое устройство воспроизведения с колебательным телом из текстильной ткани,
фиг.5 - четвертое акустическое устройство воспроизведения с колебательным телом в форме карточки.
Согласно фиг.1 акустическое устройство 2 воспроизведения содержит колебательное тело 4, на котором закреплено множество, в данном случае семь, возбудителей 6 колебаний, выполненных как пьезопреобразователи. Зубчатый внешний контур колебательного тела 4 должен указывать, что колебательное тело 4 может иметь практически любую форму. Колебательное тело 4 должно быть только выполнено с возможностью колебаний. Оно может также представлять собой часть более крупного плоскостного элемента. Колебательное тело 4 в своей области возбуждения, в которой размещены отдельные возбудители 6 колебаний, выполнено однородным и имеет, в частности по всей своей области возбуждения, одинаковый состав материала или структуру слоев, а также предпочтительно одинаковую толщину. С каждым возбудителем 6 колебаний сопоставлен аналоговый кабель 8. Посредством блока 10 управления каждый из этих аналоговых кабелей 8 нагружается аналоговым акустическим сигналом А1-А7. Аналоговый акустический сигнал А1-А7 вызывает в своем соответствующем возбудителе 6 колебаний объемные изменения, которые далее передаются на колебательное тело 4. Выполненные в форме полосок пьезопреобразователи имеют разную длину. Поэтому они переносят различные колебания на колебательное тело 4. Колебания отдельных возбудителей 6 колебаний суммируются в колебательном теле 4, и наложенные колебания выдаются как прослушиваемый спектр звучания.
Фиг.2 наглядно показывает, каким образом аналоговые акустические сигналы А1-А7 генерируются в блоке 10 управления. Исходным пунктом является цифровой сигнал F полосы частот, который уже кодирован в частичных полосах Т1-Т7. Кодирование сигнала F полосы частот в семи частичных полосах Т1-Т7 должно только схематично иллюстрировать способ действия. Например, цифровой МР3-сигнал является сигналом F полосы частот, который разложен на 32 сигнала частичных полос.
Сигнал F полосы частот обрабатывается главным процессором. Последний разлагает его на семь сигналов Т1-Т7 частичных полос. Под разложением здесь понимается только разделение цифрового сигнала F полосы частот на его сигналы частичных полос, но не какой-либо дополнительный пересчет. Далее в соответствии с изобретением сигналы частичных полос группируются в семь групп сигналов Т1-Т7 частичных полос, причем в этом примере, в котором число возбудителей 6 колебаний, управляемых группой сигналов Т1-Т7 частичных полос, соответствует числу сигналов Т1-Т7 частичных полос сигнала F полосы частот, каждая группа сигналов Т1-Т7 частичных полос содержит только один из первоначальных сигналов Т1-Т7 частичных полос. Каждый из сигналов Т1-Т7 частичных полос или каждая группа сигналов Т1-Т7 частичных полос (в данном примере используются синонимично) передается на процессор 14 сигналов. В каждом из семи процессоров 14 сигналов сохранен корректирующий сигнал К1-К7. Каждый корректирующий сигнал К1-К7 пересчитывается со своим соответствующим сигналом Т1-Т7 частичной полосы. Каждый из скорректированных сигналов Т1(К1)-Т7(К7) частичных полос посредством цифроаналогового преобразователя преобразуется в акустический аналоговый сигнал А1-А7. Эти акустические аналоговые сигналы А1-А7 затем выдаются через выходы 18 в аналоговый кабель 8 и управляют отдельными возбудителями 6 колебаний.
Из фиг.1 видно, что отдельные пьезопреобразователи 6 имеют разную длину при одинаковой ширине и, тем самым, имеют различный спектр собственных частот. Таким способом колебания различных частот могут передаваться на имеющее возможность колебания колебательное тело 4. Корректирующие сигналы К1-К7 реализованы таким образом, что они компенсируют нелинейности в колебательном поведении колебательного тела 4 и соответствующих возбудителей 6 колебаний. Каждый сигнал Т1-Т7 частичной полосы представляет лишь сравнительно малый участок всей полосы частот. Это также имеет силу для соответствующего акустического аналогового сигнала. Поэтому соответствующий корректирующий сигнал К1-К7 должен корректировать соответствующий сигнал Т1-Т7 частичной полосы только в отношении нелинейностей в колебательном поведении колебательного тела 4 и соответствующего возбудителя 6 колебаний для передаваемой частичной полосы. Тем самым как процессоры 14 сигналов, так и цифроаналоговые преобразователи 16 могут выполняться с относительно низким цифровым разрешением, например с разрешением 12 битов. Это снижает затраты в сравнении с предоставлением одного единственного процессора сигналов и одного единственного цифроаналогового преобразователя с высоким цифровым разрешением, например с разрешением 24 бита. Так как процессоры 14 сигналов и цифроаналоговые преобразователи 16 к тому же работают параллельно, в единицу времени может обрабатываться больше информации. Поэтому главный процессор может выполняться с более низкой производительностью, в частности с пониженной тактовой частотой. Это также снижает затраты для блока 10 управления.
Если с помощью показанного на фиг.1 акустического устройства воспроизведения должен воспроизводиться сигнал полосы частот, кодированный как МР3-сигнал в 32 сигналах частичных полос, то 32 сигнала частичных полос объединяются в семь групп сигналов Т1-Т7 частичных полос, взаимосвязанных по частоте. С помощью каждой группы сигналов Т1-Т7 частичных полос приводится в колебания один из семи возбудителей 6 колебаний. Таким образом, для каждого сигнала частичной полосы МР3-сигнала не требуется отдельный возбудитель 6 колебаний. Сигналы частичных полос при этом всегда можно сгруппировать таким образом, что каждый возбудитель 6 колебаний нагружается одним сигналом Т1-Т7 частичной полосы. Если сигнал полосы частот имеет меньше чем семь сигналов частичных полос, то могут также несколько возбудителей 6 колебаний нагружаться тем же самым сигналом частичной полосы. Группирование и/или объединение сигналов частичных полос полосы F частот в семь, в данном примере, сигналов Т1-Т7 частичных полос может быть реализовано простым способом посредством простого алгоритма, сохраненного в главном процессоре.
Согласно фиг.3 второе акустическое устройство 2 воспроизведения содержит колебательное тело 4 в форме эллипса. На этом колебательном теле 4 размещены семь возбудителей 6 колебаний по типу веера. Каждый из возбудителей 6 колебаний вновь управляется посредством аналогового кабеля 8 от блока 10 управления и нагружается акустическим аналоговым сигналом А1-А7. На фиг.3 для большей наглядности показаны только два аналоговых кабеля 8. Посредством соответствующего распределения возбудителей 6 колебаний на колебательном теле 4 можно реализовать оптимальное возбуждение колебательного тела 4. Таким образом, реализуется хорошее воспроизведение подлежащего воспроизведению спектра звучания.
Согласно фиг.4 третье акустическое устройство 2 воспроизведения имеет колебательное тело 4 из текстильной ткани. При этом речь идет об участке предмета одежды. Так как текстильная ткань согласована с формой тела носителя (пользователя), колебательное тело 4 представлено изогнутым. И здесь предусмотрены семь возбудителей 6 колебаний, которые, соответственно, нагружаются посредством аналогового кабеля 8 от блока 10 управления акустическим аналоговым сигналом А1-А7. Таким способом можно акустическое устройство 2 воспроизведения, выполненное как МР3 проигрывающее устройство, непосредственно интегрировать в предмет одежды. Колебания пьезопреобразователя 6 и окружающей текстильной ткани 4 обеспечивают генерацию слышимого спектра звучания. При этом в колебания приводится только участок текстильной ткани, непосредственно граничащий с пьезопреобразователем 6. Подобное акустическое устройство 2 воспроизведения можно встроить, например, в воротник выполненного в виде куртки предмета одежды. Таким способом обеспечивается размещение вблизи ушей владельца куртки.
Показанное на фиг.5 акустическое устройство 2 воспроизведения имеет колебательное тело 4 в форме карточки. Это может быть чековая карточка, чип которой по причине наглядности изображения детально не показан. На колебательном теле 4 размещены различные пьезоэлементы 6 круговой формы. Каждый из этих пьезоэлементов 6 управляется посредством аналогового кабеля 8 от блока 10 управления. По причинам большей наглядности блок 10 управления изображен отдельным от колебательного тела 4. Кроме того, показаны только два аналоговых кабеля 8. Таким способом можно изготовить чековую карточку, которая во время процесса снятия средств с банковского счета передает пользователю акустическую информацию. Это может быть, например, речевое указание на то, что в процессе снятия трижды последовательно друг за другом был введен неверный PIN-код и что чековая карточка впредь не может использоваться для дальнейших попыток снятия средств со счета.
Акустическое устройство 2 воспроизведения, размещенное на колебательном теле 4 в форме карточки, можно также применять для упаковки товаров и чип-карты. Во всех случаях будет воспроизводиться речевая информация или музыка. Это осуществляется либо непрерывно, либо при запуске посредством встроенного переключателя, например пьезоэлектрического микропереключателя.
Пьезоэлектрический микропереключатель может быть при этом выполнен таким образом, что он предоставляет в распоряжение электрическую энергию, необходимую для воспроизведения спектра звучания. В этом случае может обеспечиваться экономия источника энергии, такого как батарея или солнечная панель.