Усилительно-преобразовательное устройство

Область техники
Полезная модель относится к аналоговой звукотехнике, в частности, к звуковоспроизводящим устройствам, выполненным по монолитной, дискретной или смешанной технологиям.
Цель полезной модели - повышение качества прослушивания монофонических аудиопрограмм.
Поставленная цель достигается преобразованием монофонического входного сигнала в два некоррелированных между собой сигнала с последующим их усилением, для чего между переключателем и входами каналов усиления подключены последовательно соединенные одноканальный полосовой фильтр и двухканальный преобразователь, каждый канал которого содержит последовательно соединенные блок согласования и блок фазосдвигающих звеньев, при этом каждый канал усиления нагружен на свой громкоговоритель, подключенный по мостовой схеме между неинвертирующим и инвертирующим выходами канала усиления с указанием начала и конца звуковой катушки.
Описание аналога
Известен усилитель мощности сигналов звуковой частоты, содержащий два идентичных канала усиления, каждый из которых образован первым усилителем канала, вход которого является входом канала, а выход - неинвертирующим выходом канала, при этом усилитель мощности нагружен на четыре громкоговорителя, которые попарно началами своих звуковых катушек подключены к выходам каналов, другие выводы катушек в каждой паре громкоговорителей подключены один к общему проводу, другой - к свободному выводу громкоговорителя из другой пары [1, с. 209, рис. 7.5].
Указанный вариант подключения нагрузки, состоящей из четырех громкоговорителей, реализует так называемый декодер «Псевдоквадрафонии». При этом на входы двухканального устройства подаются два комплексных сигнала, в которых суммарно-разностным образом закодированы сигналы четырех каналов звукопередачи: левого, правого, центрального и окружения. Подключение к двум выходам устройства четырех громкоговорителей позволяет разложить комплексные сигналы на четыре первоначальные составляющие. Однако известное устройство имеет только два выхода, сигналы которых синфазных друг другу, чем ограничивается число вариантов подключения громкоговорительной нагрузки.
Описание прототипа
Известно усилительное устройство, содержащее два идентичных канала усиления, на входе каждого из каналов расположен фазоинвертор, вход которого образует вход канала усиления, к неинвертирующему выходу фазоинвертора подключен вход первого усилителя канала, а к инвертирующему - вход второго усилителя канала, причем выход первого усилителя каждого из каналов образует неинвертирующий выход канала усиления, а выход второго усилителя образует инвертирующий выход канала усиления, на входе устройства расположен двунаправленный двухпозиционный переключатель, находящийся в замкнутом положении [2 - прототип].
Критика прототипа
К причине, препятствующей достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится низкое качество воспроизведения монофонических аудиопрограмм.
Сущность полезной модели
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении качества прослушивания монофонических аудиопрограмм.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении полезной модели технического результата, который заключается в преобразовании монофонического входного сигнала в два некоррелированных между собой сигнала с последующим их усилением.
Указанный технический результат достигается тем, что между переключателем и входами каналов усиления подключены последовательно соединенные одноканальный полосовой фильтр и двухканальный преобразователь, каждый канал которого содержит последовательно соединенные блок согласования и блок фазосдвигающих звеньев, при этом каждый канал усиления нагружен на свой громкоговоритель, подключенный по мостовой схеме между неинвертирующим и инвертирующим выходами канала усиления с указанием начала и конца звуковой катушки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна».
Перечень фигур чертежей
На фигуре представлена структурная схема усилительно-преобразовательного устройства. На схеме фигуры приняты следующие обозначения: 1 - первый канал усиления; 2 - вход первого канала усиления; 3 - фазоинвертор первого канала усиления; 4 - первый усилитель первого канала усиления; 5 - второй усилитель первого канала усиления; 6 -неинвертирующий выход первого канала усиления; 7 - инвертирующий выход первого канала усиления; 8 - второй канал усиления; 9 - вход второго канала усиления; 10 - фазоинвертор второго канала усиления; 11 - первый усилитель второго канала усиления; 12 - второй усилитель второго канала усиления; 13 - неинвертирующий выход второго канала усиления; 14 - инвертирующий выход второго канала усиления; 15 - двунаправленный двухпозиционный переключатель, замкнутое положение которого объединяет входы устройства для осуществления работы от источника монофонического сигнала; 16 -одноканальный полосовой фильтр; 17 - двухканальный преобразователь; 18 - блок согласования первого канала преобразователя; 19 - блок согласования второго канала преобразователя; 20 - блок фазосдвигающих звеньев первого канала преобразователя; 21 -блок фазосдвигающих звеньев второго канала преобразователя.
На фигуре представлены два громкоговорителя, каждый из которых подключен по мостовой схеме между неинвертирующим и инвертирующим выходами своего канала усиления с указанием начала и конца звуковой катушки.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Устройство содержит два идентичных канала 1 и 8 усиления, на входе каждого из каналов расположены фазоинверторы 3 и 10, входы которых образуют входы 2 и 9 каналов усиления, к неинвертирующим выходам фазоинверторов 3 и 10 подключены входы первых усилителей 4 и 11 каналов, а к инвертирующим - входы вторых усилителей 5 и 12 каналов, причем выходы первых усилителей 4 и 11 каждого из каналов образуют неинвертирующие выходы 6 и 13 каналов усиления, а выходы вторых усилителей 5 и 12 образуют инвертирующие выходы 7 и 14 каналов усиления, на входе устройства расположен двунаправленный двухпозиционный переключатель 15; находящийся в замкнутом положении, что объединяет входы устройства для осуществления работы от источника монофонического сигнала.
При работе от источника монофонического сигнала устройство обеспечивает получение на каждом из своих четырех выходах одинаковых по интенсивности и тождественных друг другу сигналов, имеющих попарно противоположные фазы.
В настоящее время существует достаточно большое количество монофонических записей, которые по тем или иным причинам не могут быть перезаписаны в двухканальный или многоканальный форматы. В основном это аудиопрограммы, помещенные на таких ретро носителях, как грампластинки, магнитные ленты различной ширины и т.д., и требующие улучшения качества прослушивания. Также можно упомянуть плохие акустические условия помещений, в которых могут использоваться монофонические системы озвучивания.
Решить проблему улучшения качества звучания можно внесением различного рода изменений в тракт воспроизведения, например, частотное разделение сигнала по каналам или применением линий задержки. Системы, вносящие указанные изменения, получили название «квазистереофонических» или «псевдостереофонических». К таким системам относятся и системы объемного звучания, которые учитывают важность отраженных от стен помещения звуковых волн, когда ощущение объемности звучания практически полностью определяется отраженными звуками.
Для решения проблемы достижения объемности звучания при прослушивании монофонических аудиопрограмм обратимся к свойству слуховой системы человека, которое противоположно его свойству точной локализации источника звука, так как позволяет установить лишь некоторую определенную область пространства, некоторый объем, из которого приходит звук. Учет такого свойства слуха при прослушивании изначально монофонического сигнала позволит придать звучанию некую глубину, объемность, эффект присутствия, что является особенно значимым при прослушивании записей органа, хора, оркестра.
Для устранения возможности локализации слухом источника звука необходимо, чтобы излучаемые сигналы были не коррелированны друг с другом. Получение из одного сигнала двух некоррелированных сигналов можно осуществить различными способами, при этом важно сохранять равными интенсивности полученных сигналов и идентичность их спектров. В частности, для этих целей можно применить широкополосный двухканальный преобразователь, обеспечивающий фазовый сдвиг 90 эл. градусов между двумя выходными сигналами в широком диапазоне частот, что устранит корреляционную связь между полученными сигналами.
Для реализации получения постоянства заданного фазового сдвига сигналов в широкой полосе частот в каждом канале преобразователя можно использовать последовательно соединенные фазосдвигающие звенья, у которых зависимость фазы выходного сигнала от частоты меняется по логарифмическому закону. В каждом из звеньев фазовый сдвиг сигнала достигает значения 90 эл. градусов на определенной частоте. Поэтому для получения суммарного фазового сдвига близкого к значению 90 эл. градусов в заданной полосе частот потребуется разбить диапазон частот на несколько участков, для чего понадобиться несколько последовательно соединенных звеньев. Идеальный вариант реализации каналов преобразователя - применение в них бесконечного числа звеньев. На практике их число зависит от величины допустимой погрешности достижения сдвига 90 эл. градусов. Как показали расчеты, для получения погрешности 2 эл. градуса потребуется 8 звеньев в каждом канале преобразователя.
Отметим необходимость ограничения полосы пропускания устройства в областях частот, выходящих за пределы звукового диапазона, что устранит НЧ- и ВЧ-помехи, присутствующие, как в самом сигнале источника монофонической аудиопрограммы, так и возникающих в цепях подключения блоков тракта воспроизведения. Для выполнения этой задачи следует на входе преобразователя установить полосовой фильтр с полосой пропускания 20-20 000 Гц.
Поскольку входные сопротивления фазосдвигающих звеньев носят частотно зависимый характер, для работы устройства потребуется согласование выходного сопротивления полосового фильтра и входного сопротивления каждого из каналов преобразования, для чего следует ввести блок согласования на входах первых звеньев каждого из каналов преобразователя.
Для достижения цели, возложенной на предлагаемое устройство, и с учетом выше изложенного, в схему устройства-прототипа вводятся одноканальный полосовой фильтр 16 и двухканальный преобразователь 17, подключаемые последовательно друг с другом между переключателем 15 и входами 2 и 9 каналов усиления. Полосовой фильтр 16 является одноканальным блоком, поэтому его вход может подключаться к любому из выходных направлений переключателя 15, так как контакты переключателя 15 находятся в замкнутом положении, чем обеспечивается работа устройства от источника монофонического сигнала. Каналы преобразователя 17 содержат последовательно соединенные блоки 18 и 19 согласования и блоки 20 и 21 фазосдвигающих звеньев. Каждый канал 1 и 8 усиления нагружен на свой громкоговоритель, подключенный мостовым способом началом своей звуковой катушки к неинвертирующему выходу канала, а концом - к инвертирующему выходу канала. Подключение громкоговорителя между выходами усилителя канала, работающих в противофазе, позволит удвоить получаемую в нагрузке мощность. Отметим простоту получения мостового включения громкоговорителей в каждом канале устройства, причем плечи моста полностью симметричны и возбуждаются параллельно идентичными, но противофазными сигналами.
При желании прослушивания аудиопрограмм посредством головного стереофонического телефона его следует подключить к однотипным выходам каналов усиления: либо к неинвертирующим выходам 6 и 13, либо к инвертирующим 7 и 14. Отметим, что возможен вариант использования одновременно двух телефонов, подключенных указанными выше способами. Однако при использовании телефона (телефонов) потребуется согласование работы каналов усиления с телефонной нагрузкой, как по сопротивлению, так и по мощности.
Из вышеизложенного очевидно, что введение одноканального полосового фильтра и двухканального преобразователя, содержащего в каждом канале последовательно соединенные блок согласования и блок фазосдвигающих звеньев, позволит использовать устройство для высококачественного прослушивания монофонических аудиопрограмм посредством двух громкоговорителей или головных стереофонических телефонов, что обеспечивается преобразованием исходного монофонического сигнала в два некоррелированных сигнала, подаваемых для дальнейшего усиления по мощности на входы двухканального усилителя.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующих условий:
- устройство, воплощающие заявленную полезную модель при ее осуществлении, предназначено для использования в аналоговой звукотехнике, в частности, в звуковоспроизводящих устройствах, выполненных по монолитной, дискретной или смешанной технологиям.
- для заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Шихатов А.И. Концертный зал на колесах. - М.: МДК Пресс, 2000. - 272 с.: ил. (рис. 7.5, с. 209).
2. Патент РФ на полезную модель №182 702 (RU 182702 U1). МПК Н03F 3/181 (2006.01), G10L 21|02 (2013.01). H04R 3|12 (2006.01). Заявка №2017145820, 25.12.2017. Опубл.: 28.08.2018, Бюл. №25 (прототип).