СПОСОБ ОБРАБОТКИ АУДИОСИГНАЛА
AUDIO SIGNAL PROCESSING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу обработки аудиосигналов для повышения качества и (или) иных характеристик аудиосигнала. Указанный способ обеспечивает корректировку нелинейности электроакустических преобразователей в аудиоканале, учитывая при этом нелинейные психоакустические характеристики слуха человека путем управляемого добавления нелинейности к аудиоканалу. Кроме того, настоящее изобретение относится к устройству/устройству для реализации способа и аудиоканала, предназначенного для корректировки нелинейности электроакустических преобразователей, учитывая при этом нелинейные психоакустические характеристики слуха человека. Аудиоканал содержит, по меньшей мере, одно устройство для реализации способа обработки аудиосигналов.
Техническая задача
В настоящее время аудиоканал, расположенный перед электроакустическим преобразователем, проявляет безупречные характеристики. Неизвестно, почему некоторые компоненты аудиоканала с более высоким уровнем искажений производят более качественный звук, чем компоненты с более низким уровнем искажений. Некоторые усилители были снабжены вакуумными электронными лампами с целью повышения качества звука, при этом в других усилителях использовали небольшой контур обратной связи для усиления нелинейности компонентов. Искажения аудиоканала, расположенного перед электроакустическим преобразователем, не означают, что его звучание будет лучше или хуже. Два различных электроакустических преобразователя, звучание которых является качественным на их аудиоканалах, будут звучать хуже, когда они меняются местами. Одна из причин такого ухудшения качества звучания заключается в том, что аудиоканал, расположенный перед электроакустическим преобразователем, характеризуется нелинейностями, снижающими нелинейности преобразователя, что позволяет аудиоканалу воспроизводить звук более высокого качества, чем на другом аудиоканале.
Техническая задача, решаемая с помощью настоящего изобретения, заключается в создании способа и устройства для обработки аудиосигналов в аудиоканале, обеспечивающих корректировку нелинейности электроакустических преобразователей в аудиоканале, учитывая при этом нелинейную психоакустическую характеристику слуха человека.
Существующий уровень техники
Нелинейности электроакустических преобразователей известны уже давно. Нелинейные искажения характеризуют весь электроакустический канал воспроизведения, начиная от процесса записи звука на звуконосителе и вплоть до воспроизведения звука со звуконосителя, усилителя и громкоговорителя, как такового. Имеются многочисленные публикации, в которых подробно рассматриваются указанные нелинейности. Также известно применение нелинейности в музыкальных инструментах с целью изменения звука.  Человек не воспринимает некоторые нелинейности в звуке, в то время как другие воспринимаются им, даже несмотря на то, что они обладают одинаковой акустической энергией в соответствии с описанием, приведенным в статье Amplifier Musicality - A Study of Amplifier Harmonic Distortion Spectrum Analysis by Jean Hiraga. В документе US5133015 раскрываются способ и устройство для обработки аудиосигналов, более конкретно, способ, обеспечивающий различные степени искажений аудиосигналов, включая искажение аудиосигнала до определенной степени. В документе US2011255701 раскрываются электронные цепи и способ улучшения качества звука, в частности, электронные цепи, способные ввести предсказуемое и регулируемое нелинейное гармоническое искажение, увеличивающееся с увеличением амплитуды сигнала. В документе US2015249889 раскрываются устройство и способ цифровой обработки аудиосигналов путем расширения частотной характеристики громкоговорителя и сокращения или устранения нелинейных искажений громкоговорителя. Аудиосигнал может быть удлинен путем применения цифрового линейного фильтра на основе модифицированной частотной характеристики громкоговорителя. Нелинейное искажение громкоговорителя может быть устранено или снижено цифровым нелинейным фильтром на основе реверсивно параметрической модели громкоговорителя.
Кроме того, большинство из известных традиционных подходов, относящихся к обработке аудиосигналов с целью повышения качества и (или) иных характеристик аудиосигнала, не учитывают нелинейные психоакустические характеристики слуха человека.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение относится к способу обработки аудиосигналов и к устройству в аудиоканале, обеспечивающим корректировку нелинейности электроакустических преобразователей в аудиоканале, учитывая при этом нелинейные психоакустические характеристики слуха человека путем управляемого добавления нелинейности к аудиоканалу, с целью воспроизведения более качественного акустического изображения и большего количества деталей при воспроизведении звука за счет использования аппроксимации квадратичной и полиномиальной функции пятой ступени в определенном диапазоне.
В соответствии с настоящим изобретением способ включает аппроксимацию нелинейных психоакустических характеристик слуха человека полиномиалом пятой степени и путем добавления, по меньшей мере, одного нелинейного элемента, расположенного перед, по меньшей мере, одним электроакустическим преобразователем в аудиоканале, при этом нелинейный элемент выполняет функцию добавления нелинейности в аудиоканале, обеспечивающей корректировки нелинейности, по меньшей мере, одного электроакустического преобразователя и (или) нелинейности аппроксимированных нелинейных психоакустических характеристик слуха человека для изменения величины давления вблизи уха человека до .
Аудиоканал для реализации указанного способа обработки аудиосигналов в соответствии с настоящим изобретением предназначен для корректировки нелинейности электроакустических преобразователей в аудиоканале, учитывая при этом нелинейные психоакустические характеристики слуха человека. Указанный аудиоканал содержит, по меньшей мере, одно устройство для реализации способа обработки аудиосигналов. Вышеуказанное устройство выполняет функцию добавления нелинейности к аудиоканалу, обеспечивающей корректировки нелинейности, по меньшей мере, одного электроакустического преобразователя и (или) нелинейности аппроксимированных психоакустических характеристик слуха человека для изменения величины давления вблизи уха человека до .
Способ настоящего изобретения, устройство и аудиоканал устраняют ограничения электроакустических преобразователей, а также ограничения уха человека путем добавления нелинейностей, которые в конечном счете снижают нелинейности всего аудиоканала вместе с ухом человека, т.е. путем добавления нелинейностей к аудиоканалу таким образом, чтобы характеристика аудиоканала обеспечивала снижение нелинейности полиномиальной аппроксимации уха человека для изменения давления .
Краткое описание чертежей
Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1a – график гиперболической функции  с асимптотами;
Фиг. 1b – иллюстрация гармонического спектра искаженного синусоидального сигнала с амплитудой 0,57 функции, приведенной на Фиг. 1a;
Фиг. 2a – график гиперболической функции  с асимптотами;
Фиг. 2b – иллюстрация гармонического спектра искаженного синусоидального сигнала с амплитудой 0,57 функции, приведенной на Фиг. 2a;
Фиг. 3a – иллюстрация графика аппроксимированных нелинейных психоакустических характеристик слуха человека ;
Фиг. 3b – иллюстрация гармонического спектра искаженного синусоидального сигнала с амплитудой 2 функции, приведенной на Фиг. 3a;
Фиг. 4a – инверсные аппроксимированные психоакустические характеристики слуха человека ;
Фиг. 4b – иллюстрация гармонического спектра искаженного синусоидального сигнала с амплитудой 2 функции, приведенной на Фиг. 4a;
Фиг. 5a – иллюстрация графика инверсной аппроксимации психоакустической характеристики слуха человека гиперболичекими функциями ;
Фиг. 5b – иллюстрация гармонического спектра искаженного синусоидального сигнала с амплитудой 2 функции, приведенной на Фиг. 5a;
Фиг. 6a – иллюстрация графика аппроксимации инверсной психоакустической характеристики слуха человека с использованием вакуумного диода , где  и ;
Фиг. 6b – иллюстрация гармонического спектра искаженного синусоидального сигнала с амплитудой 2 функции, приведенной на Фиг. 6a;
Фиг. 7 – схематическая иллюстрация устройства для реализации способа добавления нелинейностей к аудиосигналу в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 8 – схематическая иллюстрация деривации нелинейного квадратичного элемента функции ;
Фиг. 9 – схематическая иллюстрация деривации нелинейного гиперболического элемента функции ;
Фиг. 10 – схематическая иллюстрация деривации нелинейного гиперболического элемента функции ;
Фиг. 11 – схематическая иллюстрация аудиоканала в соответствии с предпочтительным способом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 12 – схематическая иллюстрация аудиоканала в соответствии с другим способом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 13 – иллюстрация одного из вариантов осуществления устройства для обработки аудиосигналов в соответствии с настоящим изобретением путем использования квадратичной и гиперболической нелинейностей; и
Фиг. 14 – иллюстрация реализации нелинейного элемента, в котором используется вакуумный диод.
Подробное описание изобретения
Способ настоящего изобретения учитывает одну нелинейность электроакустического преобразователя и нелинейности уха человека.
В соответствии с настоящим изобретением способ обработки аудиосигналов в аудиоканале, обеспечивающим  корректировку нелинейности электроакустических преобразователей в аудиоканале, учитывая при этом нелинейные психоакустические характеристики слуха человека, включает аппроксимирование психоакустических характеристик слуха человека полиномиальной функцией пятой степени, и путем добавления, по меньшей мере, одного нелинейного элемента 4 перед, по меньшей мере, одним электроакустическим преобразователем в аудиоканале, при этом нелинейный элемент 4 выполняет функцию добавления нелинейности к аудиоканалу, обеспечивающей корректировки нелинейности, по меньшей мере, одного электроакустического преобразователя и (или) нелинейности аппроксимированных нелинейных психоакустических характеристик слуха человека для изменения величины давления вблизи уха человека до . В соответствии со способом настоящего изобретения нелинейный элемент 4 обеспечивает снижение нелинейности электроакустического преобразователя путем применения квадратичной нелинейности, которая является инверсной функцией , где  – относительная амплитуда колебаний мембраны или относительное усилие на мембране электроакустического преобразователя, a и b являются положительными константами.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения нелинейный элемент 4 обеспечивает снижение нелинейности психоакустической характеристики слуха человека  путем применения функции, обеспечивающей снижение, по меньшей мере, в два раза нелинейности, введенной членами ,  и , при этом константы  остаются в пределах допустимых значений  для каждой константы и  – относительное давление вблизи уха человека.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения нелинейный элемент 4 обеспечивает снижение нелинейности психоакустической характеристики слуха человека путем применения гиперболической функции  и , где x – относительное давление вблизи уха человека.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения нелинейный элемент 4 обеспечивает снижение нелинейности психоакустической характеристики слуха человека путем применения функции , где  – относительное давление вблизи уха человека.
Ниже приведено более подробное описание способа настоящего изобретения и в соответствии с вариантом осуществления аудиоканала в соответствии с настоящим изобретением.
Нелинейность внутри электроакустического преобразователя характеризуется адиабатическим процессом, определяемым как:
[1]
Указанная нелинейность внутри электроакустического преобразователя оказывает негативное воздействие на качество звука. В случае электроакустического преобразователя,  производящего звук путем колебания мембраны, воздух около мембраны изменяет давление вследствие адиабатического процесса. Объем сжимаемого воздуха не известен. Тем не менее, изменение давления воздуха поддается измерению. Для большого объема сжимаемого воздуха требуется более значительная амплитуда колебаний мембраны для одного и того же давления и наоборот. По мере изменение величины давления воздуха вследствие адиабатического процесса та же самая амплитуда колебаний мембраны в направлении, увеличивающем давление, вызовет более значительное изменение величины давления, чем колебание в обратном направлении. Мы рассмотрим два идеальных случая. В обоих случаях масса мембраны ничтожно мала, и мембрана характеризуется жесткостью. В первом случае амплитуда колебаний мембраны является линейной, и объем сжатого воздуха изменяется линейно с амплитудой колебаний мембраны. Мы будем использовать адиабатический процесс воздуха. Начальное давление воздуха является атмосферным давлением. Адиабатическое уравнение для воздуха имеет вид:
[2]
По мере колебания мембраны объем изменяется, в результате чего происходит адиабатическое изменение давления воздуха:
[3]
Давление воздуха возле мембраны составляет:
[4]
где  – начальный сжимаемый объем, и  – изменение объема, которое происходит за счет колебания мембраны.  имеет отрицательный знак, так как объем уменьшается по мере перемещения мембраны вперед. Начальные условия: , , и изменение объема , где  – атмосферное давление и  – относительная амплитуда колебаний мембраны. Следовательно, можно записать:
[5]
При разложении функции в ряд Тейлора в соответствии с относительным колебанием  первые пять членов представляют собой:
[6]
[7]
где  – изменение величины давления:
[8]
Для изменения величины давления  относительная амплитуда колебаний мембраны выражена в виде:
[9]
При ее включении в ряд Тейлора члены позади квадратичного члена имеют ничтожно малую величину:
[10]
Максимальные нелинейности при нормальной громкости являются квадратичной функцией изменения величины давления
[11]
Во втором случае на мембрану электроакустического преобразователя и на объем воздуха, линейно изменяющегося с амплитудой колебаний мембраны, оказывается усилие. Для упрощения расчета предусматривается использование изотермического процесса, определенного для идеального газа как:
[12]
Усилие, оказываемое на мембрану, является суммой усилий на обеих сторонах мембраны. Ввиду того, что звук слышится только с одной стороны мембраны, контроль давления будет осуществляться на этой стороне. Усилие на поверхность мембраны выражается как:
[13]
1
2
где  – давление на обращенной к нам стороне мембраны,  – давление на противоположной стороне мембраны и  – поверхность мембраны, остающаяся постоянной.  Давление p, p выражается как:
[14]
где  – начальный сжимаемый объем и  – изменение объема, обусловленное колеблющейся мембраной. Начальные условия – ,  и , где  – атмосферное давление, и  – относительная амплитуда колебаний мембраны в направлении звуковосприятия. Получаем уравнения для p1, p2:
[15]
Усилие на мембрану выражается как:
[16]
При допущении, что относительное усилие является , получаем:
[17]
И относительная амплитуда колебаний мембраны выражается как:
[18]
Таким образом, давление на стороне звуковосприятия составляет , в результате чего получаем:
[19]
При разложении в ряды Тейлора на относительное усилие , получаем давление на обращенной к нам стороне мембраны:
[20]
1
при этом давление p на обращенной к нам стороне мембраны составляет:
[21]
и изменение величины давления на стороне звуковосприятия выражается как:
[22]
Для изменения величины давления  относительная амплитуда колебаний мембраны выражается:
[23]
При таком незначительном относительном усилии можно игнорировать воздействие более крупных членов разложения в ряды Тейлора:
[24]
Максимальная нелинейность при нормальной громкости является квадратичной функцией изменения величины давления:
[25]
В обоих случаях, можно аппроксимировать изменение величины давления воздуха на мембрану квадратичной функцией  , где  – относительная амплитуда колебаний мембраны в первом случае или относительное давление на мембрану во втором случае. При рассмотрении нормальной громкости с изменением величины давления  вблизи уха человека давление на мембрану сильнее ввиду снижения давления с расстоянием.  Чем меньше поверхность мембраны электроакустического преобразователя при равенстве всех прочих параметров, тем выше давление на нее при одинаковой громкости на одинаковом расстоянии. Допуская, что на расстоянии  метров от электроакустического преобразователя перепад давлений составляет , площадь поверхности электроакустического преобразователя составляет  и происходит идеальное рассеяние во всех направлениях без отражения звука, то в этом случае акустическая мощность на мембране равна акустической мощности на сферической поверхности на некотором расстоянии от мембраны. У сферы на расстоянии 2 метров это составляет , в результате получаем . Звуковая мощность выражается составляет:
[26]
где P – мощность, I – интенсивность и A – площадь поверхности. Если интенсивность I пропорциональна квадрату изменения величины давления  , то в этом случае можно записать  , т.е. давление на мембрану в направлении звуковосприятия выражается формулой:
[27]
По мере увеличения давления на мембрану электроакустический преобразователь работает в нелинейной области, оказывая влияние на качество слышимого нами звука.  Для рассчитанного уровня громкости
[28]
И отношение квадратичного компонента  к линейному компоненту  составляет:
[29]
В первом случае имеется ,  и , квадратичный компонент составляет 0,27% от линейного компонента, что не следует игнорировать.  Во втором случае имеется , , и квадратичный компонент составляет 0,31% от линейного компонента, что также нельзя игнорировать. С целью снижения квадратичной нелинейности электроакустического преобразователя в канале перед ним вводится нелинейный элемент, обеспечивающий корректировку нелинейности аудиоканала позади него:
[30]
где  и  являются положительными константами. Наиболее легкий прием корректировки нелинейности электроакустического преобразователя заключается в использовании нелинейного элемента, который аппроксимирует инверсную функцию , что дает:
[31]
При разложении в ряды Тейлора получаем ...
Берем первых два члена рядов Тейлора:
[32]
При этом пренебрегаем  остальными членами, так как их влияние является ничтожно малым при исключительно малом x. Для получения характеристик нелинейного элемента и аудиоканала позади него в  заменяем  на  и получаем , где  при исключительно малом значении x. Благодаря этому обеспечивается снижение искажений низкими величинами x, что характерно при звуковосприятии аудиоканала при нормальной громкости, где изменение величины давления вблизи уха человека составляет до . Если электроакустический преобразователь имеет меньшую площадь поверхности мембраны, то на мембрану будет воздействовать более высокое давление при одинаковой громкости на одинаковом расстоянии. Это приводит к повышению адиабатического искажения электроакустического преобразователя. Достаточно откорректировать нелинейный элемент для снижения квадратичной нелинейности электроакустического преобразователя, по меньшей мере, в три раза, чтобы почувствовать отметить существенное повышение качества звука.
Как известно у ламповых усилителей на одноцокольных триодах (Single Ended Triode) нелинейность превышает 1% при номинальной мощности, и они не воспринимаемы на слух ухом человека. Jean Hiraga написал статью, озаглавленную Amplifier Musicality - A Study of Amplifier Harmonic Distortion Spectrum Analysis, которая привлекла к себе большое внимание и подверглась критике, и в которой автор описывает гармоническую структуру нелинейности различных усилителей и дает субъективную оценку их звуку. Дополнительно к неслышимой нелинейности усилителей на одно цокольных триодах их нелинейность подавляет детали звука, которые мы более не слышим. Если допустить, что слух человека имеет аналогичную нелинейность, не слышимую нами, то мы не услышали бы ее даже если бы нелинейность находилась в части аудиоканала. Известно, что частотный синусоидальный сигнал  и одинаковый сигнал с добавленными частотами  , которые в 2, 3, 4, 5 и 6 раз выше, чем  , в которых амплитуды составляют:  при 0db,  при -40db,  при -50db,  при -60db,  при -70db и  при -80db, будут звучать одинаково для уха человека (Фиг. 2b). Гиперболическая функция (Фиг. 1a) обладает нелинейностью с такой структурой гармонического искажения, что каждый компонент меньше, чем предыдущий компонент для постоянного значения (Фиг. 1b). Если гармоническая структура уха человека существенно нарушена, то мы услышим ее как изменение звука. Аппроксимируем психоакустическую характеристику слуха человека полиномиальной функцией пятой степени:
[33]
где  и  – реальные положительные числа, и  – относительное давление вблизи уха человека. Для определения значений a, b, c и d добавляем нелинейность к аудиосигналу до тех пор, пока не будет достигнуто искажение гармонической структуры слуха человека, которую мы слышим. Для определения коэффициента a используем нелинейность  , которая при аппроксимации характеристики дает:
[34]
где был удален член  и нарушена гармоническая структура слуха человека. Для определения коэффициента b использовали нелинейность , которая при аппроксимации характеристики слуха человека дает:
[35]
где был удален член  и нарушена гармоническая структура слуха человека. Для определения коэффициента c использовали нелинейность , которая при аппроксимации характеристики слуха человека дает:
[36]
где был удален член  и нарушена гармоническая структура уха человека. Для определения коэффициента d, использовали нелинейность , использовали нелинейность уха человека, дает:
[37]
где был удален член  и нарушена гармоническая структура слуха человека. Члены  и  в пределах допустимых значений  для каждого члена были получены путем проверки остроты слуха. Аппроксимированная функция психоакустической характеристики слуха человека выражается формулой:
[38]
Путем применения формулы Лагранжа-Бюрмана получаем нижеприведенную инверсную функцию аппроксимации слуха человека:
[39]
Ввиду того, что коэффициент члена разложения  аппроксимированной функции психоакустической характеристики слуха человека является исключительно малым, его можно не принимать во внимание, также как и старшие члены. Для того, чтобы услышать достаточное количество деталей, необходимо уменьшить, по меньшей мере, в два раза нелинейности, введенные членами  и  аппроксимированных психоакустических характеристик слуха человека. Инверсная функция аппроксимации психоакустической характеристики слуха человека может быть выведена с использованием гиперболических кривых и , где и  (Фиг. 5a). Инверсная функция аппроксимации психоакустической характеристики слуха человека с использованием гиперболических кривых имеет вид:
[40]
которая, при разложении в ряды Тейлора позволяет получить первые пять членов:
[41]
Для получения представления о том, каким образом происходит уменьшение нелинейности слуха человека, в аппроксимированной психоакустической характеристике слуха человека  заменяем  на  и получаем первые пять членов:
[42]
Ввиду того, что  и  , уменьшаем, по меньшей мере, в два раза нелинейности, введённые членами  и  аппроксимированных психоакустических характеристик слуха человека.
В соответствии с настоящим изобретением устройство для реализации способа включает, по меньшей мере, один нелинейный элемент 4 в аудиоканале, функция которого заключается в добавлении нелинейности к аудиоканалу, обеспечивающей корректировки нелинейности, по меньшей мере, одного электроакустического преобразователя и (или) нелинейности аппроксимированных психоакустических характеристик слуха человека для изменения величины давления вблизи уха человека до .
На Фиг. 7 представлена схематическая иллюстрация устройства 19 для осуществления общего способа добавления нелинейности к аудиосигналу в соответствии с настоящим изобретением. Входной аудиосигнал 1 направляется в неизолированную часть аудиосигнала 1 и, по меньшей мере, в один изолированный аудиосигнал 1; указанные изолированные аудиосигналы 1 обрабатывают путем использования нелинейного элемента 4, по меньшей мере, в одном изолированном нелинейном аудиосигнале 7, и в сумматоре 8 неизолированная часть аудиосигнала 1 суммируется/объединяется, по меньшей мере, с одним изолированным нелинейным аудиосигналом 7 в обработанный выходной аудиосигнал 9. Ответвление, создающее нелинейности, включает: опциональный фильтр 2 перед нелинейным элементом 4, опциональный усилитель/аттенюатор 3 перед нелинейным элементом 4, нелинейный элемент 4, опциональный усилитель/аттенюатор 5 позади нелинейного элемента 4 и опциональный фильтр 6 позади нелинейного элемента 4. Нелинейный элемент 4 имеет квадратичную функцию  или гиперболические функции  и .
Способ для обработки аудиосигналов  в аудиоканале осуществляется путем использования устройства 19, проиллюстрированного на Фиг. 7, при этом способ, обеспечивающий корректировку нелинейности электроакустических преобразователей в аудиоканале, учитывая при этом нелинейные психоакустические характеристики слуха человека, включает следующие этапы: разделение входного аудиосигнала 1 в неизолированную часть аудиосигнала 1 и, по меньшей мере, в один изолированный аудиосигнал 1; модифицирование, по меньшей мере, одного изолированного аудиосигнала 1 в нелинейном элементе 4 путем добавления нелинейности; опционально усиление/затухание, по меньшей мере, одного изолированного аудиосигнала в усилителе/аттенюаторе 3 перед нелинейным элементом 4 и опционально усиление/затухание, по меньшей мере, одного изолированного аудиосигнала в усилителе/аттенюаторе 5 позади нелинейного элемента 4, и опциональное фильтрование, по меньшей мере, одного изолированного аудиосигнала в фильтре 2 перед нелинейным элементом 4, и опциональное фильтрование, по меньшей мере, одного изолированного аудиосигнала в фильтре 6 позади линейного элемента 4, и получение, по меньшей мере, одного изолированного нелинейного аудиосигнала 7; и суммирование неизолированной части аудиосигнала 1, по меньшей мере, с одним изолированным нелинейным аудиосигналом 7 в сумматоре 8 в выходной аудиосигнал 9.
На Фиг. 8 проиллюстрирована схема одного варианта осуществления нелинейного квадратичного элемента 4. Перед нелинейным элементом 4 находится усилитель/аттенюатор 3, имеющий положительное значение , нелинейный элемент 4, имеющий квадратичную функцию  и усилитель/аттенюатор 5 позади нелинейного элемента 4, при этом указанный усилитель/аттенюатор 5 имеет положительное значение . Квадратичный нелинейный элемент 4 получают из умножителя сигнала 10, который умножает выходной сигнал позади усилителя/аттенюатора 3 с самим собой и изменяет его знак в преобразователе сигналов 11. Суммарная передаточная функция цепи на Фиг. 8 представляет собой . Путем корректировки значений  и  обеспечивается контроль за тем, сколько квадратичной нелинейности будет добавлено к линейной части сигнала.
На Фиг. 9 проиллюстрирована схема варианта осуществления нелинейного гиперболического элемента 4. Усилитель/аттенюатор 3 перед нелинейным элементом 4 имеет положительное значение , при этом нелинейный элемент 4 имеет гиперболическую функцию и усилитель/аттенюатор 5 позади нелинейного элемента 4 имеет положительное значение . Гиперболический нелинейный элемент 4 получают из преобразователя сигналов 11, источника 12 значения константы 1, сумматора сигналов 13, масштабатора сигналов 14 и умножителя сигналов 10. На сумматоре сигналов 13 выход составляет  , при этом сигнал далее поступает в масштабатор сигналов 14, разделяющий сигнал  , который умножитель сигнала 10 умножает на x и получают .  Суммарная передаточная функция цепи на Фиг. 9 имеет вид:
Путем корректировки значений  и  можно получить любую функцию  , где  и  являются произвольными положительными значениями.
На Фиг. 10 проиллюстрирована схема получения нелинейного гиперболического элемента 4, при этом усилитель/аттенюатор 3 находится перед нелинейным элементом 4 и имеет положительное значение , нелинейный элемент 4 имеет гиперболическую функцию , и усилитель/аттенюатор 5 позади нелинейного элемента 4 имеет положительное значение . Гиперболический нелинейный элемент 4 получают из источника 12 значения константы 1, из сумматора сигналов 13, масштабатора сигналов 14, умножителя сигнала 10 и преобразователя сигналов 11. На сумматоре сигналов 13 выход составляет , где сигнал далее поступает в масштабатор сигналов 14, разделяющий сигнал  , который умножитель сигнала 10 умножает на x и получают . Суммарная передаточная функция цепи на Фиг. 10 имеет вид:
Путем корректировки значений  и  можно получить любую функцию  , где  и  являются произвольными положительными значениями.
На Фиг. 11 проиллюстрирован предпочтительный вариант осуществления аудиоканала, включающего, по меньшей мере, одно устройство 19, и способа для обработки аудиосигналов в указанном аудиоканале. Аудиоканал включает предусилитель 16 входного аудиосигнала 15, соединенный с первым устройством 19 для обработки аудиосигналов путем использования гиперболических нелинейностей, аудиокроссовер 18, соединенный с первым устройством 19 (после первого устройства 19), аудиокроссовер 18, разделяющий обработанный аудиосигнал во втором устройстве 19 на два ответвления сигналов по диапазону частот, по меньшей мере, два вторых устройства 19 для обработки аудиосигналов путем использования квадратичной нелинейности соединены с аудиокроссовером 18 (позади аудиокроссовером), и к каждому из двух указанных вторых устройств 19 подсоединен соответствующий усилитель мощности 20, а также два электроакустических преобразователя 21, соединенных с соответствующим  усилителем мощности 20. Исходный входной аудиосигнал 15 поступает в предусилитель 16,  регулирующий уровень громкости. Сигнал из предусилителя 16 поступает в первое устройство 19 для обработки аудиосигналов путем использования гиперболических нелинейностей. Обработанный сигнал из первого устройства 19 поступает в аудиокроссовер 18, разделяющий сигнал на несколько ответвлений по диапазону частот. Позади аудиокроссовера 18 сигнал из каждого ответвления поступает во второе соответствующее устройство 19 для обработки аудиосигналов путем использования квадратичной нелинейности. Обработанный сигнал из каждого соответствующего устройства 19 поступает в соответствующий усилитель мощности 20, направляющий усиленный сигнал в соответствующий электроакустический преобразователь 21. Каждое из вторых устройств 19 для обработки сигнала путем использования квадратичной нелинейности предназначено для уменьшения, как минимум, в три раза квадратичной нелинейности электроакустических преобразователей 21, с учетом усиления усилителя мощности 20, что воздействует на требуемую величину нелинейности. Если усиление выше, требуется увеличение квадратичной нелинейности на соответствующих вторых устройствах 19. Первое устройство 19 для обработки сигнала путем использования гиперболических нелинейностей предназначено для уменьшения, как минимум, в два раза нелинейности психоакустической характеристики слуха человека в пределах зоны изменения величины давления , с учетом усиления усилителем мощности 20, эффективности электроакустического преобразователя 21 и расстояния, на котором находится ухо человека от электроакустических преобразователей. Если уровень усиления выше, и (или) эффективность электроакустического преобразователя выше, и (или) расстояние до уха человека от электроакустического преобразователя меньше, также требуется увеличение гиперболических нелинейностей на первом устройстве обработки сигнала 19.
Способ обработки аудиосигналов в аудиоканале, проиллюстрированный на Фиг. 11, осуществляемый с помощью устройства 19, при этом способ обеспечивает корректировку нелинейности электроакустических преобразователей в аудиоканале с учетом нелинейных психоакустических характеристик слуха человека, и включает следующие этапы: усиление/затухание входного сигнала 15 в регулируемом предусилителе 16; обработку аудиосигналов  в первом устройстве 19 путем применения гиперболической нелинейности; разделение аудиосигналов на два ответвления по диапазону частот в аудиокроссовере 18; обработку разделенных аудиосигналов в каждом ответвлении во втором устройстве 19 путем применения квадратичной нелинейности; усиление мощности разделенных аудиосигналов в каждом ответвлении в усилителях мощности 20 и направление аудиосигналов каждого ответвления в соответствующий электроакустический преобразователь 21.
Другой вариант осуществления устройства 19 и способа в аудиоканале проиллюстрирован на Фиг. 12. Входной аудиосигнал 15 поступает в предусилитель 16, регулирующий уровень громкости. Сигнал из предусилителя 16 поступает в первое устройство 19 для обработки аудиосигналов, используя квадратичную и гиперболическую нелинейности. Обработанный сигнал из первого устройства 19 поступает в усилитель мощности 20, который подает усиленный сигнал на аудиокроссовер 18, разделяющий сигнал на насколько ответвлений по диапазону частот. Позади аудиокроссовера 18 сигнал из каждого ответвления поступает в соответствующий электроакустический преобразователь 21. Устройство обработки сигнала 19 путем использования квадратичной и гиперболической нелинейностей предназначено для уменьшения, как минимум, в три раза квадратичной нелинейности электроакустических преобразователей 21 с учетом усиления усилителя мощности 20, воздействующего на требуемую величину квадратичной нелинейности. Кроме того, устройство 19 предназначено для уменьшения, как минимум, в два раза нелинейности психоакустической характеристики слуха человека в пределах зоны изменения величины давления , с учетом усиления усилителя мощности 20, эффективности  электроакустического преобразователя 21 и расстояния до уха человека от электроакустических преобразователей. Если уровень усиления выше, и (или) эффективность электроакустического преобразователя выше, и (или) расстояние до уха человека от электроакустического преобразователя меньше, также требуется увеличение гиперболической нелинейности на устройстве 19. Ввиду того, что устройство 19 обеспечивает снижение квадратичных нелинейностей для нескольких электроакустических преобразователей, характеризующихся различной квадратичной нелинейностью и работающих в различных диапазонах частот, в устройстве применяются фильтры 2 перед нелинейным элементом 4 и (или) фильтры 6 позади нелинейного элемента 4 таким образом, чтобы он обеспечивал корректировку квадратичной нелинейности для различных диапазонов частот. Устройство 19 предназначено для использования квадратичной и гиперболической нелинейностей путем их одновременного добавления ко входному аудиосигналу 1 в сумматоре 8 или выполнено в виде последовательно соединенных каскадных устройств 19.
Способ обработки аудиосигналов в аудиоканале, приведенный на Фиг. 12, осуществляемый с помощью устройства 19, при этом способ обеспечивает корректировку нелинейности электроакустических преобразователей в аудиоканале с учетом нелинейных психоакустических характеристик слуха человека и включает следующие этапы: усиление/затухание входного сигнала 15 в регулируемом предусилителе 16; обработку аудиосигналов  в первом устройстве 19 путем использования квадратичной и гиперболической нелинейностей; усиление аудиосигнала в усилителе мощности 20; разделение аудиосигналов на два ответвления по диапазону частот в аудиокроссовере 18; и направление сигналов каждого ответвления в соответствующий электроакустический преобразователь 21.
В соответствии со способом настоящего изобретения устройство 19 обеспечивает снижение в два раза нелинейности аппроксимированных психоакустических характеристик слуха человека и (или) в 3 раза квадратичную нелинейность электроакустического преобразователя, и изменение величины давления вблизи уха человека до .
Кроме того, в соответствии со способом настоящего изобретения аудиосигнал  может быть обработан либо в аналоговом формате, либо в цифровом формате.
Настоящее изобретение также относится к компьютерной программе, адаптированной для ее выполнения на процессоре и для выполнения этапов способа в соответствии с настоящим изобретением при его осуществлении на компьютерном устройстве.
На Фиг. 13 проиллюстрирован вариант осуществления устройства 19, использующего в качестве нелинейных элементов аналоговый умножитель 24 для получения квадратичной характеристики, и аналоговые множители/масштаберы 25 для получения гиперболических характеристик. Входной аудиосигнал 1 поступает на инвертирующий входной каскад 23, за которым сигнал поступает в различные ответвления с нелинейными элементами 4. Первое  ответвление снабжено входным фильтром 2, выполненным в виде регулируемого  резистивно-ёмкостного фильтра верхних частот первого порядка, регулируемого усилителя/аттенюатора 3, выполненного путем использования операционных усилителей, резисторов и потенциометра, и нелинейный элемент 4 выполнен в виде аналогового умножителя 24. Второе и третье ответвления обработки сигнала выполнены из объединенных регулируемых усилителя/аттенюатора 3 для упрощения регулировки, изготовленных путем использования операционных усилителей, резисторов и потенциометра, при этом  единичные нелинейные элементы 4 выполнены с использованием аналоговых умножителей/масштаберов 25, имеющих характеристики . Выходные сигналы трех ответвлений нелинейных частей сигнала 7 поступают в сумматор 8, выполненный в виде резисторной сети, преобразующей нелинейные выходные сигналы напряжения 7, а также аудиосигнал за входным каскадом 23 в сумму токов, образующих выходной аудиосигнал 9, в котором выходной инвертирующий каскад 26 преобразует их в выходное напряжение 9a.
Инверсные психоакустические характеристики слуха человека также могут быть аппроксимированы другими функциями, и производные нелинейного элемента 4 могут быть выполнены с использованием нелинейности электронных элементов, таких как диоды, транзисторы и вакуумные лампы. На Фиг. 6a проиллюстрирована аппроксимация нелинейности инверсной функции слуха человека  нелинейностью , которая соответствует токовым/вольтовым характеристикам вакуумного диода . Аппроксимация, проиллюстрированная на Фиг. 6a, характеризуется  , где  и  (полная строка), при разложении в ряды Тейлора получаем первые пять членов:
Для получения представления о том, каким образом происходит уменьшение нелинейности слуха человека, в аппроксимированной психоакустической характеристике слуха человека  заменяем  на  и получаем первые пять членов:
Ввиду того, что  и , мы снизили, по меньшей мере, в два раза нелинейности, введенные членами  и  аппроксимированных психоакустических характеристик слуха человека.
Реализация нелинейного элемента 4 с использованием вакуумных диодов проиллюстрирована на Фиг. 14. Входной сигнал поступает в резисторную цепь, на которую подается постоянное напряжение -Va, которое добавляет составляющую постоянного тока ко входному сигналу, который поступает в повторители напряжения, выполненные с использованием операционных усилителей. За повторителями напряжения сигнал поступает в вакуумный диод 27, имеющий токовую/вольтовую характеристику . Линейный компонент был исключен за счет использования  инвертирующего усилителя 28 и резистора 29, преобразующего выходное напряжение инвертирующего усилителя 28 в ток, который суммируется с током вакуумного диода 27. Составляющая постоянного тока исключена за счет использования постоянного напряжения +Vb и резистора 30. Сумма токов вакуумного диода 27, резистора 29 и резистора 30 преобразуется в выходное напряжение на инвертирующем усилителе 31. Характеристика пропускания всей цепи составляет , при этом a, b, c и d являются положительными значениями.
Применение настоящего изобретения
Способ и устройство обработки аудиосигналов используются в аудиоканале для уменьшения нежелательной нелинейности электроакустических преобразователей, а также слуха человека. Благодаря подстраиваемости устройства к различным электроакустическим преобразователям и к слуху человека устройство широко используется в аудиопромышленности.