Устройство для измерения слухоадаптированных гармонических искажений электрического сигнала
DEVICE FOR MEASURING AUDITORY-ADAPTED HARMONIC DISTORTIONS OF ELECTRICAL SIGNAL

Область техники
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для измерения гармонических искажений электрического сигнала звуковой частоты, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности звукоусилительной аппаратурой.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства.
Это достигается введением возможностей раздельной оценки интенсивности первой гармоники искаженного сигнала и интенсивностей его высших гармоник, не адаптированных или адаптированных к слуховому восприятию искажений после их взвешивания и (или) сокращения психоакустической избыточности, обусловленной частотным маскированием, для чего фильтры верхних и нижних частот шунтируются каждый своим выключателем, четвертым и пятым соответственно, а между блоком частотной обработки и контрольно-измерительным блоком вводится двухпозиционный переключатель, позволяющий подключить вход контрольно-измерительного блока либо к выходу фильтра нижних частот, либо к выходу блока сравнения.
Описание аналога
Известно устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала и его производных, содержащее входную и выходную клеммы для подключения объекта измерения, генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к входной клемме, к выходной клемме подключены последовательно соединенные регулируемый блок выравнивания уровней сигнала, первый и второй идентичные и одновременно перестраиваемые блоки дифференцирования, каждый из которых зашунтирован отдельным выключателем, первым и вторым соответственно, и контрольно-измерительный блок, а также идентичные первый и второй блоки индикации, причем вход первого блока индикации соединен с выходом блока выравнивания уровней сигналов, а вход второго блока индикации соединен с выходом второго блока дифференцирования [1].
Известное устройство позволяет проводить объективные измерения, учитывающие такие субъективные факторы, как повышение чувствительности слухового восприятия к продуктам нелинейности высокого порядка, для чего анализу подвергается либо первая, либо вторая производная искаженного сигнала, получаемые аппаратным однократным или двукратным дифференцированием соответственно. Однако в процедуре измерений не учитывается такое свойство слуха, как маскирование в частотной области, и в частности, маскирование тональным сигналом, каковым является основная гармоника искаженного сигнала по отношению к его высшим гармоникам при подаче на вход объекта измерения гармонического сигнала.
Описание прототипа
Известно устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала, содержащее входную и выходную клеммы для подключения объекта измерения, генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к входной клемме, к выходной клемме подключены последовательно соединенные регулируемый блок выравнивания уровней сигнала, первый и второй идентичные и одновременно перестраиваемые блоки дифференцирования, каждый из которых зашунтирован отдельным выключателем, первым и вторым соответственно, блок частотной обработки, зашунтированный третьим выключателем, и контрольно-измерительный блок, устройство также содержит идентичные первый и второй блоки индикации, причем вход первого блока индикации соединен с выходом блока выравнивания уровней сигналов, а вход второго блока индикации соединен с выходом второго блока дифференцирования, при этом блок частотной обработки включает в себя блок сравнения и полосовой фильтр, состоящий из последовательно соединенных перестраиваемого по частоте фильтра верхних частот и перестраиваемого по уровню и частоте фильтра нижних частот, вход полосового фильтра, образованный входом фильтра верхних частот, подключен к первому входу блока сравнения, а выход полосового фильтра, образованный выходом фильтра нижних частот, подключен ко второму входу блока сравнения, соединение входа фильтра верхних частот и первого входа блока сравнения образует вход блока частотной обработки, выход этого блока образует выход блока сравнения [2, п. 3 ф-лы].
Устройство реализует возможности способов объективного измерения искажений, учитывающих не только такие свойства слуха, как усугубляющее влияние продуктов нелинейности высших порядков на восприятие искажений, но также и свойства слухового частотного маскирования высших гармоник сигналом основного тона. Это достигается воздействием на спектр искаженного сигнала. Во-первых, взвешиванием амплитуд высших гармоник пропорционально их порядковому номеру или его квадрату, для чего перед оценкой их интенсивностей осуществляется операция дифференцирования, проводимая однократно или двукратно. Во-вторых, введением сокращения психоакустической избыточности искаженного сигнала путем формального согласования интенсивностей высших гармоник с количественной мерой их частотного маскирования при слуховом восприятии, для чего перед своей оценкой интенсивности высших гармоник снижаются на величину, равную величине подъема кривой порога слышимости на соответствующих им частотах в присутствии маскирующего сигнала с частотой основной гармоники [2, фиг. 1].
С помощью известного устройства можно определить такие суммарные и частичные коэффициенты искажений, как коэффициенты гармоник, коэффициенты взвешенных гармоник, коэффициенты дважды взвешенных гармоник, коэффициенты маскированных гармоник, коэффициенты маскированных и взвешенных гармоник, коэффициенты маскированных и дважды взвешенных гармоник. Перечисленные коэффициенты отражают количественную оценку не адаптированных или в разной степени адаптированных к слуховому восприятию гармонических искажений электрического сигнала, т.е. слухоадаптированных гармонических искажений.
Критика прототипов
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится отсутствие возможностей раздельной оценки интенсивности первой гармоники искаженного сигнала и интенсивностей его высших гармоник, не адаптированных или в той или иной степени адаптированных к слуховому восприятию искажений. Введение таких возможностей позволит существенно упростить измерительную процедуру.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей устройства.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в введении возможностей раздельной оценки интенсивности первой гармоники искаженного сигнала и интенсивностей его высших гармоник, не адаптированных или адаптированных к слуховому восприятию искажений после их взвешивания и (или) сокращения психоакустической избыточности, обусловленной частотным маскированием.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что фильтры верхних и нижних частот шунтируются каждый своим выключателем, четвертым и пятым, соответственно, а между блоком частотной обработки и контрольно-измерительным блоком вводится двухпозиционный переключатель, позволяющий подключить вход контрольно-измерительного блока, либо к выходу фильтра нижних частот, либо к выходу блока сравнения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, 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 изобретении, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявителем проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
Перечень чертежей
На чертеже представлена структурная схема устройства, где 1 - генератор гармонических колебаний; 2 - входная клемма; 3 - объект измерения; 4 - выходная клемма; 5 - регулируемый блок выравнивания уровней сигналов; 6 - первый блок индикации; 7 - первый блок дифференцирования, 8 - первый выключатель; 9 - второй блок дифференцирования; 10 - второй выключатель; 11 - второй блок индикации; 12 - блок частотной обработки; 13 - третий выключатель; 14 - блок сравнения; 15 - полосовой фильтр; 16 - перестраиваемый по частоте фильтр верхних частот; 17 - перестраиваемый по уровню и частоте фильтр нижних частот; 18 - четвертый выключатель; 19 - пятый выключатель: 20 - двухпозиционный переключатель; 21 - контрольно-измерительный блок. При этом первый 6 и второй 11 блоки индикации идентичны друг другу, первый 7 и второй 9 блоки дифференцирования идентичны друг другу и перестраиваются одновременно, а фильтры верхних 16 и нижних 17 частот перестраиваются по частоте одновременно.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного технического результата, заключаются в следующем.
Предлагаемое устройство, структурная схема которого представлена на чертеже, реализует преобразования, позволяющие адаптировать величины интенсивностей высших гармоник к их слуховому восприятию. Это осуществляется, во-первых, за счет проведения преобразования, повышающего интенсивность каждой высшей гармоники пропорционально ее номеру или квадрату ее номера, путем аппаратного дифференцирования или двойного аппаратного дифференцирования, соответственно. Во-вторых, за счет проведения частотной обработки, сокращающей психоакустическую избыточность сигнала, обусловленную явлением частотного маскирования высших гармоник тональным сигналом, в роли которого выступает первая гармоника.
Устройство содержит входную 2 и выходную 4 клеммы для подключения объекта 3 измерения, генератор 1 гармонических колебаний, выход которого подключен к входной 2 клемме, к выходной 4 клемме подключены последовательно соединенные регулируемый блок 5 выравнивания уровней сигнала, первый 7 и второй 9 идентичные и одновременно перестраиваемые блоки дифференцирования, каждый из которых зашунтирован отдельным выключателем, первым 8 и вторым 10 соответственно, блок 12 частотной обработки, зашунтированный третьим выключателем 13, и контрольно-измерительный блок 21, устройство также содержит идентичные первый 6 и второй 11 блоки индикации, причем вход первого блока 6 индикации соединен с выходом блока 5 выравнивания уровней сигналов, а вход второго блока 11 индикации соединен с выходом второго блока 9 дифференцирования, при этом блок 12 частотной обработки включает в себя блок 14 сравнения и полосовой фильтр 15, состоящий из последовательно соединенных перестраиваемого по частоте фильтра 16 верхних частот и перестраиваемого по уровню и частоте фильтра 17 нижних частот, вход полосового фильтра 15, образованный входом фильтра 16 верхних частот, подключен к первому входу блока 14 сравнения, а выход полосового фильтра 15, образованный выходом фильтра 17 нижних частот, подключен ко второму входу блока 14 сравнения, соединение входа фильтра 16 верхних частот и первого входа блока 14 сравнения образует вход блока 12 частотной обработки, выход этого блока 12 образует выход блока 14 сравнения, к тому же фильтры верхних 16 и нижних 17 частот зашунтированы каждый своим выключателем, четвертым 18 и пятым 19 соответственно, а между блоком 12 частотной обработки и контрольно-измерительным блоком 21 расположен двухпозиционный переключатель 20, позволяющий подключить вход контрольно-измерительного блока 21 либо к выходу фильтра 17 нижних частот, либо к выходу блока 14 сравнения.
Введенными элементами схемы предлагаемого устройства являются четвертый 18 и пятый 19 выключатели и двухпозиционный переключатель 20.
Устройство работаем следующим образом. Включение в измерительный тракт с помощью соответствующих выключателей (8 и 10) только первого блока 7 или обоих блоков 7 и 9 дифференцирования позволяет реализовать операцию взвешивания амплитуд высших гармоник пропорционально номеру этих гармоник или квадрату их номера, что адаптирует их к восприятию слухом высших гармоник искаженного сигнала. При этом с помощью измерительных приборов, входящих в контрольно-измерительный блок 21, можно измерить такие коэффициенты гармонических искажений, как суммарный и (или) частичные коэффициенты взвешенных гармоник, суммарный и (или) частичные коэффициенты дважды взвешенных гармоник. Без выполнения операции дифференцирования измеряются стандартизированные суммарный и (или) частичные коэффициенты гармоник.
Блок 5 выравнивания уровней сигналов, а также первый 6 и второй 11 блоки индикации обеспечивают снижение методических погрешностей проводимых измерений, неизбежных при выполнении аппаратного дифференцирования.
Блок 12 частотной обработки, зашунтированный третьим выключателем 13, своим входом подключен к выходу второго 9 блока дифференцирования. Блок 12 выполняет операцию изменения интенсивностей высших гармоник в соответствии с подъемом кривой порога слышимости, чем обеспечивается повышение степени корреляции объективных и субъективных оценок качества звукопередачи [2]. Присутствие блока 12 позволяет с помощью измерительных приборов, входящих в контрольно-измерительный блок 21, оценить еще ряд коэффициентов гармонических искажений: суммарный и (или) частичные коэффициенты маскированных гармоник (при отключении из схемы обоих блоков 7 и 9 дифференцирования), суммарный и (или) частичные коэффициенты маскированных и взвешенных гармоник (при подключении первого блока 7 дифференцирования), суммарный и (или) частичные коэффициенты маскированных и дважды взвешенных гармоник (при подключении обоих блоков 7 и 9 дифференцирования).
Блок 12 частотной обработки содержит блок 14 сравнения и полосовой фильтр 15, состоящий из последовательно соединенных фильтра 16 верхних частот и фильтра 17 нижних частот. Вход полосового фильтра 15, образованный входом фильтра 16 верхних частот, подключен к первому входу блока 14 сравнения. Выход полосового фильтра 15, образованный выходом фильтра 17 нижних частот, подключен ко второму входу блока 14 сравнения. Вход блока 12 образует соединение входа фильтра 16 верхних частот и первого входа блока 14 сравнения, при этом вход блока 12 подключен к выходу второго блока 9 дифференцирования. Выход блока 12 образует выход блока 14 сравнения. Фильтры 16 и 17 по частоте перестраиваются одновременно. Такая перестройка фильтров потребуется при изменении частоты испытательного гармонического сигнала, вырабатываемого генератором 1 гармонических колебаний. В перестройке по уровню нуждается только фильтр 17 нижних частот. Такая перестройка потребуется при проведении измерений, условия которых предусматривают другие уровни прослушивания аудиопрограмм с использованием объекта 3 измерения.
Входной сигнал блока 12 частотной обработки и выходной сигнал полосового фильтра 15 поступают на разные входы блока 14 сравнения, осуществляющего вычитание из искаженного сигнала той его части, которая будет маскироваться частотными свойствами слуха, чем будет осуществляться сокращение психоакустической избыточности этого сигнала. Далее выходной сигнал блока 14 сравнения подвергается качественному и количественному анализу с помощью устройств, входящих в контрольно-измерительный блок 21. Двухпозиционный переключатель 20 одним из неподвижных контактов своей электрической цепи подключен к выходу фильтра 17 нижних частот, а другим - к выходу блока 14 сравнения. Подвижный контакт электрической цепи переключателя 20 подключен к входу контрольно-измерительного блока 21.
Для обеспечения оценки различных коэффициентов гармонических искажений потребуется нижнее положение подвижного контакта переключателя 20, что позволит соединить неподвижный контакт с подвижным контактом, подключенным к выходу блока 14 сравнения. Контрольно-измерительный блок 21 может включать осциллограф, частотно-избирательный вольтметр и (или) промышленный измеритель гармонических искажений. Также контрольно-измерительный блок 21 может содержать другие измерительные приборы, которые позволяют выделить и оценить интенсивность каждой из гармоник и расчетным путем определить суммарный и (или) частичные коэффициенты гармонических искажений, не адаптированных или в разной степени адаптированных к слуховому восприятию. Суммарные коэффициенты различных видов можно определить и непосредственно с помощью измерителя гармонических искажений.
Присутствие в схеме измерений фильтра 16 верхних частот исключает из искаженного сигнала основную гармонику с частотой испытательного гармонического сигнала, оставляя только продукты нелинейности. Включение фильтра 16 верхних частот именно на входе полосового фильтра 15 обеспечивает также устранение из сигнала низкочастотных помех (шумов, наводок, фона с частотой, кратной частоте промышленной сети и т.д.), что повышает достоверность результатов измерений снижением величины аппаратурной погрешности.
Присутствие в схеме измерений фильтра 17 нижних частот, следующего за фильтром 16 верхних частот, обеспечивает пропускание полосовым фильтром 15 только продуктов искажений, попадающих в зону маскирования, при этом через фильтр 17 пройдут только те части интенсивностей высших гармоник, которые расположены ниже кривой порога слышимости, а значит будут маскироваться слухом человека. Это позволит при подаче выходного сигнала полосового фильтра 15 на второй вход блока 14 сравнения вычесть эти маскируемые части интенсивностей каждой высшей гармоники из всего искаженного сигнала, поступающего на вход блока 12 частотной обработки.
Указанные преобразования в заявляемом устройстве позволяют существенно упростить измерительную процедуру. Рассмотрим варианты осуществления упрощенной процедуры измерений при наличии в контрольно-измерительном блоке 21 только осциллографа и вольтметра среднеквадратических значений для наблюдения характера и фиксации среднеквадратических значений сигналов.
1. При разомкнутых положениях обоих выключателей 18 и 19:
- при верхнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 обеспечивается соединение этого контакта с неподвижным контактом, подключенным к выходу фильтра 17 нижних частот, что позволяет подключить контрольно-измерительный блок 21 к выходу этого фильтра 17 и осуществить измерение интенсивностей высших гармоник, находящихся в зоне маскирования, т.е. измерение неслышимых частей интенсивностей высших гармоник;
- при нижнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 обеспечивается его соединение с неподвижным контактом, подключенным к выходу блока 14 сравнения, что позволяет подключить контрольно-измерительный блок 21 к выходу этого блока 14 и осуществить измерение интенсивностей первой гармоники и продуктов искажений, с изъятой психоакустической избыточностью и в той или иной степени взвешенных, что зависит от положений выключателей 8 и 10.
2. При замкнутом положении выключателя 18 и разомкнутом положении выключателя 19:
при верхнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 осуществляется измерение интенсивностей первой гармоники и высших гармоник, находящихся в зоне маскирования (неслышимых частей интенсивностей);
- при нижнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 осуществляется измерение интенсивностей продуктов искажений с изъятием психоакустической избыточности и в той или иной степени взвешенных, что зависит от положений выключателей 8 и 10.
3. При разомкнутом положении выключателя 18 и замкнутом положении выключателя 19:
- при верхнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 осуществляется измерение интенсивностей высших гармоник, в той или иной степени взвешенных, что зависит от положений выключателей 8 и 10;
- при нижнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 осуществляется измерение интенсивности первой гармоники.
4. При замкнутых положениях обоих выключателей 18 и 19:
- при верхнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 осуществляется измерение интенсивностей первой гармоники и высших гармоник, в той или иной степени взвешенных, что зависит от положений выключателей 8 и 10;
- при нижнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 осуществляется измерение интенсивностей первой гармоники и высших гармоник, в той или иной степени взвешенных, т.е. то же самое, что и при верхнем положении подвижного контакта.
Перечисленные выше несложные манипуляции позволяют с помощью известных формул провести расчеты и определить суммарные коэффициенты гармоник: невзвешенных и маскированных, взвешенных и маскированных, дважды взвешенных и маскированных. Причем формулы для расчета коэффициентов одинаковые: это отношение среднеквадратического значения продуктов искажений к среднеквадратическому значению всего сигнала. Определить эти коэффициенты можно даже при наличии в контрольно-измерительном блоке 21 только осциллографа и вольтметра среднеквадратических значений. Измерительная процедура сводится к фиксации значений напряжений по шкале вольтметра при разомкнутом положении выключателя 19 и нижнем положении подвижного контакта двухпозиционного переключателя 20 для двух положений выключателя 18. Далее остается вычислить отношение этих значений. При желании определить значения коэффициентов искажений как отношения среднеквадратического значения продуктов искажений к значению неискаженного сигнала (к значению первой гармоники) следует установить подвижный контакт двухпозиционного переключателя 20 в нижнее положение, замкнуть выключатель 19 и разомкнуть выключатель 18. Этим будет обеспечиваться измерение значения интенсивности первой гармоники сигнала.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет качественно и количественно оценить гармонические искажения не только полного сигнал, прошедшего те или иные виды обработки, но и отдельно оценить различные части его спектра: выделить либо первую гармонику, либо высшие гармоники, амплитуды которых в разной степени адаптированы к слуховому восприятию слухом нелинейных искажений: не адаптированных или адаптированных посредством их взвешивания и (или) сокращения психоакустической избыточности, обусловленной частотным маскированием.
Введенные возможности позволяют существенно упростить измерительную процедуру, а значит снизить трудоемкость измерений, проводимых с целью оперативной оценки эффективности схемотехнических решений, направленных на уменьшение нелинейных искажений, вносимых звукотехническим устройством, выступающим в роли объекта измерения. Упрощение процедуры измерений объясняется возможностью использования только осциллографа и вольтметра среднеквадратических значений из всего парка измерительной аппаратуры, который может содержать контрольно-измерительный блок.
Расширение функциональных возможностей известного устройства достигнуто благодаря приобретению им свойств изменения межблочных связей посредством двух выключателей 18 и 19, шунтирующих фильтры верхних 16 и нижних 17 частот, а также двухпозиционного переключателя 20, подключенного между блоком 12 частотной обработки и контрольно-измерительным блоком 21.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в контрольно-измерительной технике для выявления и оценки гармонических искажений сигнала звуковой частоты, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности звукоусилительной аппаратурой;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Патент на изобретение 2456624 (RU 2456624 С1) Российской Федерации, МПК G01R 23/20 (2006.01). Устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала и его производных [Текст] / Тихонова Л.С.; заявитель и патентообладатель Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения. - №2010145565/28, 09.11.2010. Опубл.: 20.07.2012, бюллетень №20.
2. Патент на изобретение 2547166 (RU 2 547 166 С1) Российской Федерации, МПК G01R 23/20 (2006.01). Способ измерения гармонических искажений электрического сигнала (варианты) и устройство для его осуществления [Текст] / Тихонова Л.С.; заявитель и патентообладатель Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения. - №2013147204/28, 22.10.2013. Опубл.: 10.04.2015, бюллетень №10 (п. 3 ф-лы - прототип).