СПОСОБ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО КОНТЕНТА, ВОСПРИНИМАЕМОГО ОРГАНАМИ СЛУХА
METHOD FOR INDIVIDUAL CORRECTION OF PARAMETERS OF TECHNICAL CHANNELS FOR TRANSMISSION OF EDUCATIONAL CONTENT PERCEIVED BY AUDITORY ORGANS

Изобретение относится к области образования, а именно к способам коррекции параметров акустического канала передачи образовательного контента.
Обучающиеся могут воспринимать информацию в процессе обучения при помощи различных анализаторов, например, зрительного, слухового, тактильного, осязательного, вкусового [Ситдикова Г.Ф., Яковлева О.В., Яковлев А.В. Практикум по физиологии сенсорных систем: кожная сенсорная система, слуховой анализатор, вкусовая чувствительность/ Ситдикова Г.Ф., Яковлева О.В., Яковлев А.В. - Казань: КГУ.- 2009. - 39 с., стр. 1 - 39, Инженерная психология : метод. указания и контр. вопр. для студ. спец. «Моделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств» и «Техническое обеспечение безопасности» заоч. Формы обуч. / сост. В.М. Алефиренко. - Минск : БГУИР, 2009 - 17 с., стр. 1 - 17].
Существующие способы передачи информации обучающимся рассчитаны в основном слуховой анализатор. При этом слуховой аппарат человека при восприятии переданной речевой информации выступает в качестве приемника. В аппарат, обозначаемый термином «ухо», входят: наружное (звукоулавливающий аппарат), среднее (звуко-передающий аппарат) и внутреннее (звуковоспринимающий аппарат) ухо. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора, дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам. Ухо воспринимает определенные частоты звуков благодаря функциональной способности волокон его мембраны к резонансу. Физиологическое значение наружного и среднего уха заключается в проведении и усилении звуков. Слуховой анализатор человека «улавливает» форму волны, частотный спектр чистых тонов и шумов, осуществляет анализ и синтез в определенных пределах частотных компонент звуковых раздражении, обнаруживает и опознает звуки в большом диапазоне интенсивностей и частот.
Выделяют следующие характеристики слухового аппарата человека: частотный и динамический диапазон, избирательность (разрешающая способность), абсолютный и дифференциальный пороги (по громкости и высоте), область слухового восприятия, ширина критической полоски слуха на средних и высоких частотах, чувствительность к чистым тонам, временной порог чувствительности, постоянная времени слуха при нарастании звука и при спаде и др. При этом значения данных характеристик для каждого человека индивидуальны [Характеристики слуха и разборчивость речи. Электронный ресурс: https://siblec.ru/telekommunikatsii/ustrojstva-preobrazovaniya-i-obrabotki-informatsii-v-sistemakh-podvizhnoj-radiosvyazi/4-kharakteristiki-slukha-i-razborchivost-rechi. Дата обращения 30.08.2020 г.; Методологические основы инженерной психологии. Электронные ресурс: https://infopedia.su/3x62d9.html. Дата обращения 30.08.2020 г.].
В любых системах связи самое лучшее восприятие происходит, когда приемник (3, фиг. 1) по своим параметрам полностью согласован с параметрами передатчика (2, фиг.1). Сигналы приема S’(t) и передачи S(t) должны быть согласованы по амплитуде, частоте, фазе, спектру, форме амплитудно-частотной характеристике и другим параметрам.
В роли передатчика в процессе обучения выступает речевой аппарат преподавателя. Речевые сигналы акустически представляют собой распространяемые в воздушной среде сложные по своей структуре звуковые колебания, которые характеризуются в отношении их частоты (числа колебаний в секунду), интенсивности (амплитуды колебаний) и длительности. Все эти характеристики подвержены изменениям на протяжении одного речевого сигнала.
Источниками возникновения речевых звуков в артикуляторном тракте человека являются:
периодические модуляции посредством колеблющихся голосовых связок воздушного потока, подаваемого из легких (голосовой источник);
турбулентные завихрения воздушного потока в сужениях произносительного тракта (шумовой, или вихревой, источник);
скачкообразное изменение давления воздуха в артикуляторном тракте при резком раскрытии смычки (взрывной, или импульсный, источник).
Возбужденный речевой звук модифицируется в отношении своего частотного состава в акустическом фильтре, который образуют активные и пассивные артикуляторные органы (голосовые связки, задняя стенка полости зева, надгортанник, небная занавеска вместе с язычком, язык, губы, зубы, альвеолы, небо) и система резонаторов (полость гортани, полость зева, носовая полость, полость рта, а также полость, образуемая в пространстве между губами и зубами).
Ртовый резонатор, роль которого в модификации речевых звуков наиболее важна, может быстро менять свой объем и свою конфигурацию. В результате отдельные составляющие возбужденного звука усиливаются или ослабляются. Каждый звук приобретает в итоге свои индивидуальные акустические особенности. Его отличают от других звуков, во-первых, спектральные амплитудно-частотные характеристики, наблюдаемые при аппаратном анализе как полосы частот, усиленные резонаторами (форманты), и, во-вторых, его временная структура [ И.П. Сусов. Акустические и физиологические характеристики речи. Электронный ресурс: http://homepages.tversu.ru/~ips/2_04.htm. Дата обращения 30.06.2020 г.].
Зачастую индивидуальные характеристики речевого аппарата преподавателя и индивидуальные характеристики слухового аппарата обучающихся не совпадают, тем самым рассогласованность отрицательно влияет на возможность и качество приема образовательного контента. Ситуация усугубляется при использовании технических средств, при этом степень рассогласования предопределяется их характеристиками.
На принимаемый сигнал также непосредственное влияние оказывает среда распространения. Интенсивность (мощность, звуковое давление) акустической волны, распространяющейся в воздушной среде, убывает при удалении от источника сигнала. Это убывание обусловлено расширением фронта волны и ее поглощением и рассеянием. Размер и форма помещения, его отделка, расположение объектов в пространстве вследствие возникновения явлений поглощения, рассеяния, отражения, интерференции звуковых волн, оказывают существенное влияние на параметры принимаемого сигнала. Кроме того, порог слышимости слухового анализатора существенно зависит от условий прослушивания: в тишине или на фоне шума (или другого мешающего звука).
Суть изобретения состоит в том, чтобы в процессе взаимодействия между преподавателем и обучающимися была достигнута согласованность характеристик речевого аппарата преподавателя (передатчика) с характеристиками слухового аппарата каждого обучающегося (приемника) за счет коррекции параметров используемых технических средств. При этом параметры акустического канала не корректируются, так как минимизирована дистанция между источником звука и акустоэлектрическим преобразователем, а также между электроакустическим преобразователем и органами слуха человека.
Известен способ озвучивания помещений (RU 2503140, H04R 5/02, G10K 15/02, A61B 8/00, 27.12.2013 г., Бюл. № 36), заключающийся в выделении спектральных компонент электрического сигнала, соответствующих различным полосам частот, преобразовании электрических сигналов в звуковые с использованием громкоговорителей. Способ также включает использование отражающей поверхности, акустически связанной с громкоговорителями, настройку системы с установлением в каждой паре громкоговоритель - отражающая поверхность стоячей волны на выбранной в соответствии с внешними метеорологическими параметрами и индивидуальной восприимчивостью к частоте, которую определяют тестовым прослушиванием с одновременным измерением жизненно важных физиологических параметров человека. Задача решаемая изобретением, состоит в повышении степени комфорта слушателя акустической системы за счет согласования стоячих волн в акустической системе и помещении как с внутренними ритмами слушателя, так и с характерными частотами внешних полевых агентов.
Недостатком данного способа является то, что индивидуальные особенности обучающихся используются для получения усредненных характеристик, так как число электроакустических преобразователей меньше числа возможных слушателей. При этом необходимо учитывать посторонние источники звуковых колебаний.
Известен лингафонный кабинет «Диалог-1» (https://iro-ufa.ru/predmetnaya-sreda/lingafonnye-kabinety/item/43-lingafonnyj-kabinet-dialog-1-ot-8-do-18-polzovtelej). Суть его состоит в том, что преподаватель может объединять обучающихся в пары, группы, подключаться к любому рабочему месту в аналоговом лингафонном кабинете для контроля обучающегося (прослушивания) или корректировки его работы (диалога). Обучающиеся могут проговаривать изучаемый материал с самопрослушиванием. У обучающегося на пульте расположен регулятор громкости и разъем для гарнитуры.
Недостатком данного лингафонного кабинета является то, что не учитываются индивидуальные психофизиологические особенности обучающихся, а также то, что регулировке и корректировке подлежит лишь громкость, но не учитываются ряд других более значимых параметров, а именно: высота тона (частота звука), тембр звука и так далее.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу, принятым за прототип, является кафедра лекционная (патент RU 2266696, A47B 19/00, 27.12.2005 г., Бюл. № 36). Кафедра содержит усилитель мощности звуковой частоты, панель управления, динамики, проводной микрофон и радиомикрофон. С помощью органов коммутации, управления и настройки, размещенных на панели управления, производится включение и настройка аудиосистемы, как правило, под параметры органов слуха преподавателя. В зависимости от способа чтения включается радиомикрофон, или проводной микрофон. Для обеспечения слышимости речи выступающего во всем помещении, используется микрофон (1, фиг.2), усилитель мощности (6, фиг. 2) и динамик (7, фиг. 2). Обобщенная схема прототипа представлена на фиг. 2.
Недостатком способа-прототипа является отсутствие учета индивидуальных особенностей слуха обучаемых, в связи с протяженностью акустического канала в естественной среде и значимых акустических характеристик помещения.
n
Техническим результатом, достигаемым при применении предлагаемого способа, является обеспечение идентичности  технических каналов передачи образовательного контента независимо от исходной разности параметров речевого аппарата преподавателя и органов слуха обучаемых, и минимизация протяженности акустического канала в естественной среде распространения.
Технический результат достигается за счет учета индивидуальных психофизиологических особенностей звукового восприятия обучаемыми образовательного контента.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в генерации акустических колебаний преподавателем, акустоэлектрическом преобразовании сгенерированных колебаний, усилении полученного сигнала, передаче усиленного сигнала, электроакустическом преобразовании полученных сигналов, приеме акустических колебаний органами слуха обучающихся, дополнительно что предварительно производят условную нумерацию рабочих мест обучающихся, присваивают каждому обучающемуся идентификатор, производят идентификацию, аутентификацию и авторизацию обучающихся на индивидуальных рабочих местах, формируют матрицу взаимосвязи номеров рабочих мест и идентификаторов обучающихся, измеряют индивидуальные параметры речевого аппарата преподавателя и органов слуха обучающихся; запоминают измеренные параметры; последовательно попарно извлекают из памяти и сравнивают параметры речевого аппарата преподавателя и органов слуха каждого обучающегося, полученные при начальном тестировании, корректируют параметры каждого n - го предварительного усилителя - корректора и оконечного усилителя путем согласования индивидуальных параметров речевого аппарата преподавателя и органов слуха каждого обучающегося, усиливают акустические колебания с помощью “n” каналов усиления, передают усиленный сигнал по искусственной среде распространения до “n”-индивидуальных электроакустических преобразователей обучающихся.
Из уровня техники не выявлено решений, касающихся способов индивидуальной коррекции параметров технических каналов передачи образовательного контента воспринимаемого органами слуха n-обучаемых, характеризующихся заявленной совокупностью признаков, следовательно, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие способ.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг. 1 - обобщенная схема передачи и приема сигнала;
фиг. 2 - обобщенная схема прототипа;
фиг. 3 - блок-схема способа индивидуальной коррекции параметров технических каналов передачи образовательного контента, воспринимаемого органами слуха.
n
Действия способа могут быть осуществлены в любом аудиторном помещении, предназначенном для проведения обучающего процесса с применением следующих технических средств: акустоэлектрического преобразователя (микрофона);  предусилителей-корректоров, оконечных усилителей с индивидуальными каналами управления параметрами; сервера базы данных; ПЭВМ; электроакустических преобразователей (телефонных гарнитур обучаемых).
Заявленный способ может быть реализован при помощи алгоритма, блок-схема которого представлена на фиг.3:
1) На первом этапе заявленного способа производят условную нумерацию рабочих мест обучающихся, присваивают каждому обучающемуся идентификатор (бл.10 фиг. 3).
Идентификатор - уникальный признак субъекта или объекта доступа. В качестве идентификатора может использоваться запоминаемый код, биометрический признак или вещественный код [ГОСТ Р 51241-2008: Средства и системы контроля и управления доступом. Классификация. Общие технические требования. Методы испытаний.]. В качестве индентификатора обучающегося могут выступать фамилия, имя, отчество, ник, номер телефона, номер паспорт, адрес электронной почты и т.д.
2) Производят идентификацию, аутентификацию и авторизацию обучающихся на индивидуальных рабочих местах (бл.11 фиг. 3).
Идентификация - процесс, позволяющий однозначно определить (распознать) субъект или объект, по его идентификатору, в той или иной системе.
Аутентификация - это процедура проверки подлинности субъекта (может быть проведена по паролю, графическому ключу, USB-ключу, отпечатку пальца, сетчатке глаза, по голосу и т.д.).
Авторизация - это предоставление доступа к какому-либо ресурсу (Эл.ресурс: URL: http://it-uroki.ru/uroki/bezopasnost/identifikaciya-autentifikaciya-avtorizaciya.html).
3) Формируют матрицу взаимосвязи номеров рабочих мест и идентификаторов обучающихся (бл.12 фиг.3).
4) Генерируют акустические колебания преподавателем и производят акустоэлектрическое преобразование сгенерированных колебаний (бл.13 фиг. 3). Генерация акустических колебаний преподавателем происходит за счет «голосового аппарата» человека, совмещенного с физиологическим аппаратом, предназначенным для дыхания и жевания. Такие характеристики, как: основная частота колебаний голосовых связок, форма голосовых импульсов, их амплитуда, спектральный состав и форма огибающей спектра, играют существенную роль при слуховом восприятии речи (Тоискин В.С. Электроакустические устройства: Учебное пособие. - Ставрополь: СВИС РВ, 2006.-192 с.).
Акустоэлектрический преобразователь - это устройство, преобразующее акустическую энергию (то есть энергию упругих волн в воздушной среде) в электромагнитную энергию в схемах тех устройств, в которых находятся акустоэлектрические преобразователи. (Сапожков М. А. Электроакустика. Учебник для вузов. - М.: «Связь», 1978.)
Акустоэлектрическое преобразование сгенерированных колебаний происходит за счет технического устройства микрофона.
Микрофон - устройство преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы (Микрофон//Фотокинотехника: Энциклопедия/Гл. ред. Е. А. Иофис. - М.: Советская энциклопедия, 1981. - 447 с.). В зависимости от способа преобразования акустических колебаний в электрические, микрофоны делятся на электродинамические, конденсаторные, электромагнитные, пьезоэлектрические, угольные, полупроводниковые. Может использоваться линейный микрофон, который удовлетворяет требованиям неискаженной передачи сигнала.
5) Измеряют индивидуальные параметры речевого аппарата преподавателя и органов слуха обучающихся (бл.14 фиг.3).
К основным параметрам речевого аппарата относятся:
- громкость тона (уровень звука) (может быть измерена при помощи шумомера (ГОСТ 17187-2010 (IEC 61672-1:2002) Шумомеры. Часть 1. Технические требования);
- высота тона (частота звука) (может быть измерена при помощи частотомера (Эл.ресурс: URL: https://1000eletric.com/pribor-dlya-izmereniya-chastoty-zvuka);
- тембр звука (может быть измерен при помощи специализированной аппаратуры - спектрометра (в устройство которого входит микрофон специального назначения и усилитель звука) (Эл.ресурс: URL: https://videoforme.ru/wiki/akterskoe-masterstvo/vidy-tembrov-golosa);
- спектральная амплитудно-частотная характеристика.
Основными параметрами органов слуха являются:
- порог слуха (минимальный уровень звука, который человек может воспринять);
- порог дискомфорта (уровень звука, вызывающий у человека неприятные ощущения);
- частотный диапазон слуха;
- динамический диапазон слуха (совокупность уровней звука, которые человек способен воспринимать);
- дифференциальный порог слуха (минимальные различия по частоте, интенсивности или длительности звука, воспринимаемые человеческим слухом, называются дифференциальным порогом слуха). (Ухо как приемник информации. Второе переработанное и дополненное издание. Авторы: Э. Цвикер, Р. Фельдкеллер. Перевод с немецкого под редакцией Б.Г. Белкина. Москва: Издательство «Связь», 1971).
Для точного определения параметров органов слуха обучающихся может использоваться аудиометр, который является электроакустическим измерительным аппаратом, предназначенным для исследования слухового анализатора человека (Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание).
Тестирование может осуществляться предварительно с сохранением параметров в ПЗУ ПЭВМ в ходе нескольких занятий, либо обучающимися путем самостоятельной регулировки по наиболее комфортному восприятию образовательного контента.
6) Запоминают измеренные параметры (бл.15 фиг.3). Измеренные параметры запоминают в базе данных (по каждому занятию) с дополнительной пометкой преподавателя об активности (пассивности), настроении обучаемого.
7) Последовательно попарно (преподаватель и i-обучаемый) извлекают из памяти и сравнивают параметры речевого аппарата преподавателя и органов слуха каждого обучающегося, полученные при начальном тестировании. (бл.16 фиг.3).
8) Корректируют параметры каждого n - го предварительного усилителя - корректора и оконечного усилителя путем согласования индивидуальных параметров речевого аппарата преподавателя и органов слуха каждого обучающегося (бл.17 фиг.3) в соответствии с полученными результатами. При этом производят согласование до практического совпадения индивидуальных параметров речевого аппарата преподавателя и органов слуха каждого обучающегося.
Предварительный усилитель-корректор предназначен для усиления низкочастотного сигнала, его фильтрации, коррекции, преобразования, сдвига по частоте в большую и меньшую сторону. Благодаря этому изменяются характеристики звука. Кроме того, предусилитель может использоваться для регулировки сигнала либо смешивания нескольких звуков в один. Данное устройство используется для согласования параметров голоса преподавателя и параметров органов слуха обучающихся. В настоящее время предусилители-корректоры имеют минимальные размеры и стоимость, что позволяет создавать индивидуальные тракты передачи для каждого обучаемого.
n”
9) Усиливают акустические колебания с помощью “каналов усиления, по числу обучающихся, с регулировкой-коррекцией мощности (бл.18 фиг.3).
n-
10) Передают усиленный сигнал по искусственной среде распространения до индивидуальных электроакустических преобразователей обучающихся (бл.19 фиг.3).
В качестве электроакустических преобразователей могут использоваться телефоны, в различном исполнении. Электроакустический преобразователь - это устройство, преобразующее энергию электромагнитных волн в акустическую. (Сапожков М. А. Электроакустика. Учебник для вузов. - М.: «Связь», 1978.).
Типичными и наиболее распространенными представителями искусственной среды распространения сигнала являются кабели.
11) Производят электроакустическое преобразование полученных сигналов (бл.20 фиг.3).
12) Принимают акустические колебания органами слуха обучающихся (бл.21 фиг.3).
n
Таким образом, при применении предлагаемого способа, за счет учета и согласования индивидуальных параметров речевого аппарата преподавателя и органов слуха каждого обучаемого, независимо от исходной разности параметров речевого аппарата преподавателя и органов слуха обучаемых, минимизации протяженности акустического канала в естественной среде распространения обеспечивается идентичность  технических каналов передачи образовательного контента. Технический результат достигнут.