УСТРОЙСТВО ОЦЕНКИ АКУСТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПОМЕЩЕНИЯ
DEVICE TO ASSESS ACOUSTIC QUALITY OF ROOM

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для оценки акустики объемных помещений.
Элементы акустической настройки музыкальных студий записи залов театров, кинотеатров, студенческих аудиторий, цехов заводов предусматриваются на стадии их проектирования.
Прототипом принята структурная схема устройства измерения времени реверберации [1 c.141, 142 рис.4.23 а], которая содержит последовательно соединенные генератор шума, октавный полосовой фильтр, усилитель мощности, звуковой излучатель, измерительный микрофон, микрофонный усилитель, блок с набором полосовых фильтров и самописец. Излучаемый сигнал фиксируется микрофоном и после усиления поступает в блок полосовых фильтров, с них - в самописец. При известной скорости ленты самописца определяется временной интервал, в течение которого уровень звукового давления уменьшается на соответствующую величину. Процедура измерения повторяется для всех октавных полос в диапазоне частот 125…4000 Гц выбором полосовых фильтров при нескольких положениях измерительного микрофона в студии. Недостаток прототипа: определение одного параметра - времени реверберации. Цель изобретения - получение оперативной оценки акустики пространства объемного помещения. Техническим результатом является оперативная визуальная оценка акустического качества помещения в диапазоне девяти октавных полос 63…16000 Гц на плоскопанельном экране.
1
1
9
1
9
1
9
1
9
1
9
1
9
6
1
9
1
9
1
9
1
9
1
9
Сущность изобретения в том, что в устройство, содержащее последовательно соединенные генератор звуковой частоты, усилитель мощности, переключатель и излучатель звуковых сигналов, измерительный микрофон, микрофонный усилитель и блок полосовых фильтров, вводятся блок амплитудных детекторов, шесть идентичных каналов формирования кодов звука, плоскопанельный экран, генератор тактовых импульсов и делитель частоты. Структурная схема заявляемого устройства на фиг.1, накопитель кодов на фиг.2, плоскопанельный экран на фиг.3, самостоятельная /первая/ часть экрана на фиг.4, элемент матрицы экрана и вид ее сверху на фиг.5, устройство элемента матрицы на фиг.6, размещение аппаратуры устройства при проведении оценки акустики помещения на фиг.7. Визуальная оценка акустического качества пространства помещения состоит в выявлении зрением на плоскопанельном экране глухих зон, зон искажения звука с регистрацией кодов звука во флэш-память. Структурная схема устройства содержит /фиг.1/ последовательно соединенные генератор 1 звуковой частоты /ЗЧ/, в качестве которого применяется генератор Г3-109, усилитель 2 мощности, переключатель SA1, излучатель 3 звука, используется акустическая система 35 АС [2 с.200 табл.26], в которой громкоговоритель Гр.1 является излучателем низких ЗЧ - головка 30ГД-1 [1 с.100], громкоговоритель Гр.2 излучатель средних ЗЧ - головка 15ГД-11 [1 с.100], громкоговоритель Гр.3 излучатель высоких ЗЧ - головка 10ГД-35 [2 с.200 табл.26], каждая головка ЗЧ подключается к выходу усилителя 2 мощности переключателем соответственно SA1.1, SA1.2, SA1.3. Излученный звуковой сигнал принимается микрофоном 4, в качестве которого применяется конденсаторный микрофон [3 c.49], содержит последовательно соединенные микрофонный усилитель 5, блок 6 полосовых фильтров октавных полос, содержащий девять полосовых фильтров частот 63 Гц,125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц, 8 кГц, 16 кГц, входы полосовых фильтров подключаются к выходу микрофонного усилителя 5 первым галетным переключателем SA2 [4 с.51, 52 рис.86а], содержит блок 7 амплитудных детекторов, включающий по числу полосовых фильтров девять амплитудных детекторов, выходы которых подключены к первому-девятому выходам блока 6 полосовых фильтров, и устройство содержит шесть идентичных каналов формирования кодов звуков. Первый канал включает /фиг.1/ последовательно соединенные блок 8 аналого-цифровых преобразователей /АЦП/, содержащий девять АЦП 9-9, каждый из которых подключается своим переключателем SA4.1…SA4.9 к соответствующему выходу второго галетного переключателя SA3, блок 10 накопителей кодов звука, включающий девять накопителей 11-11 кодов, первый-восьмой входы каждого из которых подключены к первому-восьмому выходам соответственно АЦП 9-9, и объединенный блок 12 импульсных усилителей, содержащий девять блоков 13-13 импульсных усилителей, первый-360 входы каждого из которых подключены к соответствующим 1-360 выходам своего блока 11-11 накопителей кодов. Выходы первого-триста шестидесятого каждого блока 13-13 импульсных усилителей подключены к соответствующим первому-триста шестидесятому входам плоскопанельного экрана 19. Шестой канал включает последовательно соединенные /фиг.1/ блок 8 аналого-цифровых преобразователей, содержащий девять АЦП 14-14, каждый из которых подключается при работе своим переключателем SA9.1…SA9.9 к выходу второго галетного переключателя SA3, блок 15 накопителей кодов звука, включающий девять накопителей 16-16 кодов, первый-восьмой входы каждого из них подключены к первому-восьмому выходам соответственно АЦП 14-14, и объединенный блок 17 импульсных усилителей, включающий девять блоков 18-18 импульсных усилителей, 1-360-й входы каждого из которых подключены к соответствующим 1-360 выходам своего накопителя 16-16 кодов.
1
9
К
1-9
1-9
Д
1-9
1-9
1-9
1-9
1
1
1-9
1-9
1-8
С первого по триста шестидесятый выходы каждого блока 18-18 импульсных усилителей подключены к соответствующим первому - триста шестидесятому входам плоскопанельного экрана 19. Каналы второй - пятый формирования кодов звуков выполнены идентично первому и шестому каналам, выходы их подключены аналогично к входам экрана 19. Устройство оценки включает /фиг.1/ последовательно соединенные генератор 20 тактовых импульсов и целитель 21 частоты, и выходной разъем 22 для вывода кодов звука на регистрацию в модуль флэш-памяти для использования кодов в расчетах акустических параметров исследуемого помещения. Первый-восьмой выходы каждого АЦП шести каналов через диоды подключены параллельно соответственно к первому-восьмому входам выходного разъема 22. Генератор 20 обеспечивает устройство тактовыми импульсами, частота импульсов дискретизации кодов звука принята 50 кГц, частота кадров на экране 50 Гц. Делитель 21 частоты с первого выхода выдает импульсы Uчастоты 50 Гц кадров /1000:1/, выход подключен параллельно к первым входам накопителей /фиг.1/ 11…16 кодов. Со второго выхода делителя частоты следуют импульсы U дискретизации 50 кГц кодов звука, второй выход подключен к вторым входам накопителей 11…16 кодов и параллельно к управляющим входам АЦП 9…14 /фиг.1/. Сигнал звука принимается микрофоном 4, усиливается микрофоном усилителя 5, через переключатель SA2 поступает на вход первого полосового фильтра блока 6, с выхода которого поступает на вход первого амплитудного детектора 7, с первого выхода которого при включенном переключателе SA4.1 поступает на вход первого АЦП 9, с выхода которого восьмиразрядный код звука в параллельном виде поступает на первый-восьмой входы накопителя 11кодов. Все накопители кодов 11…16 выполнены идентично /фиг.2/, каждый содержит первый 23, второй 24, третий 25 ключи, распределитель 26 импульсов и восемь регистров 27 каждый из 45 разрядов.
1-9
1-9
Работа накопителей 11, 16 кодов, фиг.2.
1
Д
К
Д
1-8
1
1-8
ВЫД
1
ВЫД
1
1
1-8
1-8
1-8
1-8
1-8
1
1-9
1-9
1-8
Накопление кодов звука в блоке 10 начинается с накопителя 11, частота 63 Гц. Оператор включает переключатель SA10, первый ключ 23 открывается сигналом U, с приходом импульса U50 Гц он проходит открытый ключ 23, закрывает его и открывает второй ключ 24, на вход распределителя 26 импульсов поступают импульсы U50 кГц, с выходов которого импульсы дискретизации поступают последовательно на первые /тактовые/ входы разрядов параллельно восьми регистров 27, на третьи /информационные/ входы которых поступают коды звука с АЦП 9. По заполнению 45 разрядов регистров 27 с последнего выхода блока 26 сигнал закрывает второй ключ 24 и открывает третий ключ 25 для пропуска сигнала U50 Гц, выдающий одновременно все 45 кодов в параллельном виде с регистров 27 в блок 13 импульсных усилителей, прошедший сигнал U закрывает третий ключ 25. Блок 13 содержит импульсные усилители по числу разрядов в 45 кодах: 45×8=360. С первого - триста шестидесятого выходов блока 131 усиленные импульсы кодов поступают на соответствующие входы /1-360/ первой части 1/1 /фиг.3/ экрана 19. При выдаче кодов с разрядов регистров 27 /фиг.2/ сигналы вновь поступают на третьи входы своих разрядов после диодов для выполнения многократной выдачи кодов звука в блок 13 и с него вновь на входы экрана 19 с частотой 50 Гц. Участок экрана, на который поступают коды звука, высвечивается зеленым цветом яркостью, пропорциональной величинам кодов звука. Получение кодов звука одного направления /фиг.7/ идет последовательно по частотам октав с 63 Гц по 16 кГц, соответственно которым последовательно начнут высвечиваться части экрана первого направления на микрофон 4 в колонке экрана 19 с участка 1/1 по 9/1 /фиг.3/. При получении кодов звука второго направления на микрофон 4 высвечиваются части экрана 19 /фиг.3/ от 10/2 по 18/2 и т.д. при шестом направлении высвечиваются части экрана 46/6 - 54/6. При заполнении кодами всех накопителей кодов шести каналов высвечиваются 54 части экрана 19. Плоскопанельный экран 19 включает 54 самостоятельных части экрана, расположенные в одном корпусе экрана 19. Части экрана расположены в шесть колонок слева направо и по девять рядов сверху вниз /фиг.3/ по числу октав с 1/1 по 9/1. Каждая самостоятельная часть экрана /фиг.4/ включает матрицу элементов из 2025 штук /45×45/ и имеет 45 строк с сорока пятью отсчетами в строке. Элемент матрицы в поперечном сечении /фиг.5/ имеет размеры 2×2 мм при длине до 6 мм, общий вид элемента матрицы и вид его сверху на фиг.5, включает непрозрачный корпус 28 из изоляционного материала формой прямоугольного параллелепипеда. Во входном торце корпуса размещена микролинза 29, в выходном торце размещен зеленый светофильтр 30, между ними расположен корпус диафрагмы 31 с восемью прорезями, в которых размещены восемь нейтральных микросветофильтров 32, прикрепленных к своим микропьезоэлементам 33 с двумя управляющими входами, жестко закрепленными в корпусе 28 элемента матрицы, к вторым свободным концам микропьезоэлементов 33 прикреплены нейтральные микросветофильтры 32, каждый из которых имеет коэффициент поглощения /ослабления/ излучения соответственно весу своего разряда в восьмиразрядном коде. Значения коэффициентов поглощения соответствует принципу двоичного кода. Нейтральные микросветофильтры 32 /фиг.6/ расположены последовательно друг за другом по оптической оси микролинзы 29, нейтральный микросветофильтр 32 наибольшим коэффициентом первым от микролинзы 29, остальные идут в порядке уменьшения коэффициентов поглощения. Облучение микролинз 29 элементов матриц выполняется сверхъяркими светодиодами белого свечения в соответствующем количестве и определенном порядке расположенные внутри корпуса на задней панели экрана 19 так, что каждый светодиод облучает несколько элементов матриц. В отсутствии управляющих импульсов с блоков 13, 18 /фиг.1/ нейтральные микросветофильтры 32 полностью перекрывают поток излучения от микролинзы 29. Принцип действия элемента матрицы основан на том, что каждый микросветофильтр 32 ослабляет излучение после микролинзы соответственно весу своего разряда в коэффициенты ослабления в таблице 1.
Таблица 1
Номер разряда кода
Вес разряда в коде
Коэффициент ослабления
1 - старший
2<sup>7</sup>
/128/
0,5
50%
2
2<sup>6</sup>
/64/
0,25
25%
3
2<sup>5</sup>
/32/
0,125
12,5%
4
2<sup>4</sup>
/16/
0,0626
-
5
2<sup>3</sup>
/8/
0,0325
-
6
2<sup>2</sup>
/4/
0,015625
-
7
2<sup>1</sup>
/2/
0,0078
0,78%
8
2<sup>0</sup>
/1/
0,0039
0,39%
1-9
1-9
1-8
1-8
отсч
Излучение от источников облучения /подсветки/ микролинзой 29 направляется сквозь нейтральные микросветофильтры 32 на зеленый светофильтр 30 /фиг.5/, придающий излучению зеленый цвет /оптимальный для человека/. Входа микропьезоэлементов 33 являются управляющими входами элементов матриц и подключены к выходам соответствующих импульсных усилителей в блоках 13…18. В отсутствие управляющих импульсов /единиц в коде/ микропьезоэлементы находятся в ненапряженном состоянии, все микросветофильтры 32 расположены по оптической оси микролинзы 29, и поток излучения полностью перекрыт. При поступлении управляющего импульса /единица в коде/ на микропьезоэлемент 33 его свободный конец изгибается и выводит свой нейтральный микросветофильтр 32 из потока излучения на длительность кадра 20 мс, чтобы он не ослаблял излучение, что и соответствует единице в коде. Невыведенный из потока нейтральный микросветофильтр соответствует в разряде нулю. При поступлении кода 11111111 из потока выводятся все нейтральные микросветофильтры 32, из элемента матрицы идет максимальное излучение. При поступлении разных кодов из потока выводятся на 20 мс нейтральные микросветофильтры 32 /фиг.6/, соответствующие единицам в разрядах кода. В качестве микропьезоэлементов используются трубчатые пьезоэлементы, работающие на изгиб, прочные и надежные при длительной работе [5 с.27]. Элемент матрицы выполняется максимально миниатюрными 2×2 мм длиной до 6 мм. Элементы матрицы изготавливаются отдельно и из них набираются части экрана 19, габариты которого составляют: по горизонтали 540 мм /45× 6×2 мм/, по вертикали 810 мм /45 строк × 2 мм × 9 рядов/. Каждый элемент матрицы выполняет преобразование "код - яркость излучения". Выявление в пространстве помещения зон с сильным затуханием звука или искажением их выполняется до степени яркости свечения участков 1 - 54 плоскопанельного экрана 19. Оценка качества акустики в одном направлении к микрофону 4 /фиг.7/ определяются по степеням яркости участков экрана 19 в колонке сверху вниз /63 Гц … 16 кГц/, при разных направлениях на микрофон 4 по значениям яркостей участков между шестью колонками слева направо, фиг.3. Равные степени яркости участков экрана 19 соответствуют одинаковым условиям распространения звука в пространстве зала. Потоки кодов шести каналов параллельно регистрируются во флэш-памяти.
Работа устройства.
Аппаратура устройства оценки размещается, как на фиг.7. До работы составляется таблица подключения блоков устройства по числу направлений к микрофону 4. Подключение блоков устройства для одного направления приводится в таблице 2. Выполняется подключение блоков по первому направлению /фиг.7/, включается напряжение питания. В генераторе 1 выставляется частота первой октавы 63 Гц, и принимаемая величина амплитуды сигнала, которая будет и для всех частот. Выполняется и проверяется подключение для частоты 63 Гц.
Таблица 2
Частота октавы
Излучатель блок 3
Блок 6 SA2
Блок 7 SA3
Блок 8 SA4
Блок 10 входы
Бл.12 входы
Участок экрана 19
63 Гц
Гр.1
SA1.1
SA2.1
SA3.1
SA4.1
бл.11<sub>1</sub>
13<sub>1</sub>
1/1
125 Гц
Гр.1
SA1.1
SA2.2
SA3.2
SA4.2
бл.11<sub>2</sub>
13<sub>2</sub>
2/1
250 Гц
Гр.1
SA1.1
SA2.3
SA3.3
SA4.3
бл.11<sub>3</sub>
13<sub>3</sub>
3/1
500 Гц
Гр.2
SA1.2
SA2.4
SA3.4
SA4.4
бл.11<sub>4</sub>
13<sub>4</sub>
4/1
1 кГц
Гр.2
SA1.2
SA2.5
SA3.5
SA4.5
бл.11<sub>5</sub>
13<sub>5</sub>
5/1
2 кГц
Гр.2
SA1.2
SA2.6
SA3.6
SA4.6
бл.11<sub>6</sub>
13<sub>6</sub>
6/1
4 кГц
Гр.2
SA1.2
SA2.7
SA3.7
SA4.7
бл.11<sub>7</sub>
13<sub>7</sub>
7/1
8 кГц
Гр.3
SA1.3
SA2.8
SA3.8
SA4.8
бл.11<sub>8</sub>
13<sub>8</sub>
8/1
16 кГц
Гр.3
SA1.3
SA2.9
SA3.9
SA4.9
бл.11<sub>9</sub>
13<sub>9</sub>
191
1
1
1
2
2
2
2
3
1-9
1-9
Переключателем SA1.1 включается излучатель Гр.1, оператор переключателем SA10 /фиг.2/ запускает в работу накопитель 11, идет накопление 45 кодов звука частоты 63 Гц, время накопления 45 кодов: . Коды с блока 11 поступают в блок 13 импульсных усилителей, после усиления импульсов коды поступают на 1-360 входы элементов матриц участка 1/1 экрана 119 /фиг.3/, который высвечивается зеленым цветом с яркостью соответственно величинам кодов звука 63 Гц. Затем в генераторе 1 выставляется частота 125 Гц с той же амплитудой, выполняются подключения блоков для частоты 125 Гц по табл.2, включается Гр.1, в накопителе 11 включается переключатель SA10, идет накопление 45 кодов звука частоты 125 Гц в накопителе 11, коды с блока 11 поступают в блок 13, усиливаются импульсы кодов и поступают на 1-360 входы элементов матрицы участка 2/1 экрана 19, который высвечивается зеленым цветом. В генераторе 1 выставляется частота 250 Гц и амплитуда сигнала, выполняются подключения для частоты 250 Гц, переключателем SA10 запускается накопитель 11 кодов, через 0,09 с высвечивается участок 3/1 в экране 19. Далее такой же порядок действий для остальных октавных частот. При частотах 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц включается Гр.2, при частотах 8 кГц и 16 кГц включается Гр.3. На этом процесс первого направления кончается: на экране 19 светятся участки с 1/1 до 9/1. Микрофон устанавливается во втором месте вала и проводятся те же действия, по окончании на экране 19 высвечиваются участки с 10/2 по 18/2. Аналогично действия по следующим направлениям, после процесса по шестому направлению светится весь экран 19. По разности яркостей свечения участков экрана 19 выполняется визуальная оценка качества акустики помещения. Экран 19 светится до выключения питания. При выключении питания коды в накопителях 11…18 стираются. Но они остаются во флэш-памяти. Длительность процесса оценки акустики помещения займет до трех часов. Заявляемое устройство наглядно представляет для всех участников оценки акустики состояние качества помещения, позволяет оперативно выявить места ухудшающие качество акустики.
Использованные источники
1. Радиовещание и электроакустика. Учебник для вузов. А.В.Выходец, М.В.Гитлиц, Ю.А.Ковалгин. М., 1989, с.100, 126, 141-142, рис.4.23а.
2. Справочник по радиовещанию. Под ред. А.В.Выходца, Киев, 1981, с.199 табл.125. 1-я строка, с.200 табл.26 строки 6, 8, 10.
3. А.В.Выходец, В.И.Коваленко, М.Т.Кохно. Звуковое и телевизионное вещание. М., 1987, с.49 строка 19 сверху.
4. В.В.Фролов, Язык радиосхем. М., 1989, изд-е 2-е, с.51-52 фиг.86а.
5. А.Ф.Плонский, В.И.Теаро. Пьезоэлектроника. М., 1979, с.26, 27.