СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГАРМОНИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO MEASURE HARMONIC DISTORTIONS OF ELECTRIC SIGNAL (VERSIONS) AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Область техники
Группа изобретений относится к области контрольно-измерительной техники и предназначена для измерения гармонических искажений электрического сигнала, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности звукоусилительной аппаратурой.
Цель группы изобретений - повышение степени соответствия результатов измерения субъективному восприятию искажений, а также расширение функциональных возможностей устройства.
В отношении способов измерения это достигается сокращением 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.
В отношении устройства для осуществления предлагаемых способов измерения это достигается введением возможностей определения коэффициентов маскированных гармоник, коэффициентов маскированных и взвешенных гармоник, коэффициентов маскированных и дважды взвешенных гармоник, для чего соединение между выходом второго блока дифференцирования и входом контрольно-измерительного блока разрывается и между ними вводится блок частотной обработки сигнала, зашунтированный третьим выключателем, содержащий полосовой фильтр и устройство сравнения, при этом вход полосового фильтра и первый вход устройства сравнения соединены вместе и подключены к выходу второго блока дифференцирования, выход полосового фильтра подключен ко второму входу устройства сравнения, а выход устройства сравнения - к входу контрольно-измерительного блока, при этом полосовой фильтр состоит из соединенных входами перестраиваемого по уровню и частоте фильтра нижних частот и перестраиваемого по частоте фильтра верхних частот, которые своими выходами подключены к разным входам сумматора, причем входы фильтров нижних и верхних частот образуют вход полосового фильтра, а выход сумматора - его выход, к тому же фильтры нижних и верхних частот по частоте перестраиваются одновременно.
Описание аналогов
Моделирование психоакустических свойств слуха человека широко используется в алгоритмах сжатия звуковой информации с целью снижения скорости цифрового потока вплоть до максимально возможных величин, при которых потеря данных не влечет за собой ощутимую потерю качества звучания, вызванную снижением отношения сигнал/шум квантования.
Возможность сжатия аудиоданных основана на безвозвратном отбрасывании той части сигнала, которая относится к психоакустической избыточности, а значит, не будет восприниматься при прослушивании. Психоакустическая избыточность сигнала связана с различными свойствами слуховой системы человека, в том числе с явлениями маскирования в частотной и временной областях восприятия. Сокращение психоакустической избыточности используется в алгоритмах сжатия звуковой информации стандартов MPEG, ATSC Dolby AC3 и т.д. [1]. В этих алгоритмах применяется сложная обработка цифровых аудиоданных, проводимая по результатам анализа сигнала в блоке психоакустического моделирования слухового восприятия. Моделирование фундаментальных свойств слуха требует реализации многочисленных этапов обработки звукового сигнала с применением сложных аппаратно-программных средств.
Возможен и другой подход, не требующий моделирования свойств слуха, а значит, более простой в реализации, - это получение формального согласования результатов измерения с количественной мерой их слуховой оценки с помощью корректирующей характеристики, имеющей адекватный назначению ход своей зависимости. Так, известно аналоговое компандерное устройство шумоподавления, осуществляющее компрессию и последующее экспандирование сигнала с целью снижения влияния шумов фонограммы на качество звукопередачи, в принципе работы которого учитывается явление частотного маскирования [2]. В кодере устройства на стороне записи используется частотная обработка на основе характеристики, зависимость которой обратно пропорциональна зависимости кривой порога слышимости в присутствии маскирующего шумового сигнала. В декодере на стороне воспроизведения применяется частотная обработка, обратная проведенной в кодере. Этим снижается влияние модуляционного шума на качество воспроизведения фонограмм, содержащих звучание сольных инструментальных партий.
Алгоритмы цифрового кодирования аудиоданных и компандерное устройство аналоговой обработки сигнала фонограммы предназначены для оперативного вмешательства в процесс звукопередачи и не могут быть применены в измерительных целях, поскольку частотная обработка, используемая в них, не модифицирована под измерительную процедуру оценки гармонических искажений сигнала.
Описание прототипов
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков в отношении п.1 ф-лы является способ измерения амплитудной нелинейности объекта измерения, заключающийся в разложении спектра сигнала на основную и высшие гармоники, оценку и сравнение их интенсивностей [3].
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков в отношении п.2 ф-лы является способ измерения нелинейных искажений электрического сигнала, заключающийся в разложении спектра первой или второй производной сигнала на основную и высшие гармоники, оценку и сравнение их интенсивностей [4].
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков в отношении п.3 ф-лы является 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 [5].
Критика прототипов
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип п.1 ф-лы, относится отсутствие соответствия результатов объективного измерения амплитудной нелинейности объекта измерения субъективной оценке качества его звучания, так как при осуществлении известного способа не учитываются свойства слуха человека.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип п.2 ф-лы, относится неполное соответствие результатов объективного измерения амплитудной нелинейности объекта измерения субъективной оценке качества его звучания, так как в нем учитывается только влияние продуктов нелинейности высших порядков на восприятие слухом искажений. При этом не учитывается такое свойство слуха, как маскирование в частотной области и, в частности, маскирование тональным сигналом, каковым является основная гармоника искаженного сигнала при подаче на вход объекта измерения гармонического сигнала, используемого в измерительной процедуре.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип п.3 ф-лы, относится отсутствие функциональных возможностей осуществления предлагаемых способов измерения искажений.
Сущность группы изобретений
Задача, на решение которой направлена группа изобретений пп.1 и 2 ф-лы, заключается в повышении степени соответствия результатов измерения субъективному восприятию искажений.
Задача, на решение которой направлено изобретение п.3 ф-лы, заключается в расширении функциональных возможностей устройства.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении группы изобретений пп.1 и 2 ф-лы технического результата, который заключается в сокращении психоакустической избыточности искаженного сигнала путем формального согласования интенсивностей высших гармоник с количественной мерой их частотного маскирования при слуховом восприятии.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения п.3 ф-лы технического результата, который заключается во введении возможностей определения коэффициентов маскированных гармоник, коэффициентов маскированных и взвешенных гармоник, коэффициентов маскированных и дважды взвешенных гармоник.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений пп.1 и 2 ф-лы достигается тем, что 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.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения п.3 ф-лы достигается тем, что соединение между выходом второго блока дифференцирования и входом контрольно-измерительного блока разрывается и между ними вводится блок частотной обработки сигнала, зашунтированный третьим выключателем, содержащий полосовой фильтр и устройство сравнения, при этом вход полосового фильтра и первый вход устройства сравнения соединены вместе и подключены к выходу второго блока дифференцирования, выход полосового фильтра подключен ко второму входу устройства сравнения, а выход устройства сравнения - к входу контрольно-измерительного блока, при этом полосовой фильтр состоит из соединенных входами перестраиваемого по уровню и частоте фильтра нижних частот и перестраиваемого по частоте фильтра верхних частот, которые своими выходами подключены к разным входам сумматора, причем входы фильтров нижних и верхних частот образуют вход полосового фильтра, а выход сумматора - его выход, к тому же фильтры нижних и верхних частот по частоте перестраиваются одновременно.
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 заявленной группы изобретений, а определение из числа выявленных аналогов прототипов как наиболее близких по совокупности признаков позволило определить совокупность существенных по отношению к техническим результатам признаков в заявленной группе, изложенным в формуле изобретения.
Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленной группы изобретений требованию изобретательского уровня, заявителем проведен дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипов, результаты которого показали, что заявленная группа изобретений не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
Перечень чертежей
На фиг.1 представлены следующие частотные зависимости: 1 - кривая абсолютного порога слышимости; 2 - кривая порога слышимости в присутствии маскирующего сигнала частотой 1 кГц и интенсивностью 100 дБ; 3 - кривая порога слышимости в присутствии маскирующего сигнала частотой 1 кГц и интенсивностью 80 дБ; 4 - кривая порога слышимости в присутствии маскирующего сигнала частотой 1 кГц и интенсивностью 60 дБ; 3a - горизонтальная линия; 3б - кривая, аппроксимирующая высокочастотный склон кривой порога слышимости в присутствии маскирующего сигнала частотой 1 кГц и интенсивностью 80 дБ; 5 - аппроксимированная амплитудно-частотная характеристика фильтра верхних частот; 6 - вертикальная линия на частоте 1 кГц.
На фиг.2 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемые способы измерения, где 1 - генератор гармонических колебаний; 2 - объект измерения; 3 - регулируемый блок выравнивания уровней сигналов; 4 - первый блок индикации; 5 - первый блок дифференцирования, 6 - первый выключатель; 7 - второй блок дифференцирования; 8 - второй выключатель; 9 - второй блок индикации; 10 - контрольно-измерительный блок; 11 - входная клемма; 12 - выходная клемма; 13 - блок частотной обработки сигнала; 14 - устройство сравнения; 15 - полосовой фильтр; 16 - перестраиваемый по уровню и частоте фильтр нижних частот; 17 - перестраиваемый по частоте фильтр верхних частот; 18 - сумматор; 19 - третий выключатель. При этом первый 5 и второй 7 блоки дифференцирования идентичны друг другу и одновременно перестраиваются, первый 4 и второй 9 блоки индикации идентичны друг другу, а фильтры 16 и 17 перестраиваются по частоте одновременно.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления группы изобретений
Сведения, подтверждающие возможность осуществления группы изобретений с получением указанных технических результатов, заключаются в следующем.
Широкое и успешное использование свойств частотного маскирования слуха с целью уменьшения объема передаваемой аудиоинформации позволило предположить целесообразность учета это явления в ходе измерительной процедуры оценки величины гармонических искажений электрического сигнала, обусловленных амплитудной нелинейностью объекта измерения. Это позволит повысить степень соответствия результатов измерения слуховому восприятию искажений, возникающих при воспроизведении объектом измерения аудиопрограмм.
В ходе разработок современных алгоритмов кодирования звуковой информации были проведены многочисленные и разнообразные информационные и психоакустические исследования, привлечены результаты ранее проводимых исследований, что позволило тщательно изучить вопросы восприятия и получить основополагающие количественные зависимости, обобщившие результаты теоретических и экспериментальных исследований. Отметим, что в настоящее время при реализации программных и аппаратных звукотехнических средств из свойственных слуху явлений маскирования преимущественно учитывается одновременное (моноуральное) маскирование, проявляемое в частотной области восприятия.
Для достижения эффекта повторяемости результатов измерения, получаемых на различных установках, простоты выполнения измерений и снижения материально-технических затрат на изготовление установок откажемся от детального моделирования фундаментальных свойств слуха и обратимся к использованию формального согласования результатов измерения со слуховым восприятием искажений путем подбора соответствующей формы частотной характеристики, корректирующей результаты измерения адекватно слуховому восприятию. Предложим усовершенствовать способы-прототипы путем введения перед разложением спектра сигнала на основную и высшие гармоники операции частотной обработки, вносящей указанное согласование.
Сформируем вид частотных характеристик, корректирующих спектр высших гармоник с учетом их маскирования, для последующего изъятия скорректированного спектра из спектра исходного сигнала при его различной интенсивности.
В основе выбора форм корректирующих характеристик лежат кривые порога слышимости, заимствованные из работ Е. Zwicker, R. Ehmer, L. Fielder и E. Benjamin. Именно эти данные используются в работе психоакустической модели алгоритма сжатия А/52 стандарта ATSC Dolby АС-3. При этом отметим, что кривые порога слышимости при маскировании тональным сигналом слишком сложны для их аппаратной реализации. Поэтому обратимся к форме корректирующей характеристики, соответствующей кривой порога слышимости в присутствии маскирующего узкополосного шума, и предположим, что шумовой сигнал настолько узкополосный, что его можно условно расположить на частоте основной гармоники и принять за тональный сигнал. Это вполне допустимо, поскольку принятие предпосылки стремления к формальному согласованию результатов измерения с слуховой оценкой искажений означает, что операция частотной обработки не должна рассматриваться как моделирование свойства слуха - ее задача заключается лишь в «подгонке» эффекта, получаемого на выходе измерительной системы, к субъективной количественной мере, оцениваемой как искажения формы изначально гармонического сигнала.
-5
На фиг.1 представлены частотные зависимости, отражающие видоизменение кривой порога слышимости в тишине - абсолютного порога слышимости (АПС), в присутствии маскирующего сигнала. Здесь представлены частотная зависимость АПС (кривая 1) и семейство кривых порога слышимости (ПС) в присутствии маскирующего сигнала частотой 1 кГц различной интенсивности: 100 дБ, 80 дБ и 60 дБ (кривые 2-4 соответственно). Параметром каждой кривой является абсолютный акустический уровень маскирующего сигнала, дБ, вычисленный относительно звукового давления 2×10 Па. Подобные зависимости известны и для других частот маскирующего сигнала в звуковом диапазоне 20 Гц-20 кГц.
Обратимся к значению частоты испытательного гармонического сигнала, равному 1 кГц, наиболее часто используемому при измерении гармонических искажений. В результате наличия амплитудной нелинейности передаточной характеристики объекта измерения возникают искажения формы его выходного сигнала, что соответствует появлению в спектре сигнала высших гармоник с частотами кратными частоте основной гармоники: второй, третьей, четвертой и т.д. гармоник. Наличие той или иной высшей гармоники, четность или нечетность ее номера и ее интенсивность зависят от вида амплитудной нелинейности испытуемого устройства.
С точки зрения наличия психоакустической избыточности искаженного сигнала основную гармонику можно рассматривать как маскирующий сигнал, а близлежащие по частоте гармоники высших порядков - как маскируемые сигналы, попадающие в зону маскирования и к которым слух теряет восприимчивость, если их интенсивности находятся ниже кривой ПС. Количество маскируемых гармоник зависит от интенсивности основной гармоники. Так, например, для кривой 4 на фиг.1 в зону маскирования попадут вторая и третья гармоники с частотами 2 и 3 кГц. Это означает, что интенсивности этих гармоник должны быть снижены на величину, равную величине подъема кривой порога слышимости по отношению к АПС (фиг.1, кривая 1).
Отметим, что в ходе субъективных экспертиз было определено оптимальное значение звукового давления величиной 82±2 дБ, установление и поддержание которого в зрительном зале или комнате прослушивания будет соответствовать уровню звуковоспроизведения в контрольном зале (комнате) киностудии, студии записи и т.д., а значит, будет гарантировать достоверность передачи звуковой информации. Оптимальному значению звукового давления соответствует кривая 3 на фиг.1. В современных условиях эксплуатации звукотехнической аппаратуры уровни прослушивания достигают 100 и более децибел, чему соответствует кривая 2 на фиг.1.
Обратимся к кривой 3 на фиг.1, соответствующей кривой ПС при интенсивности маскирующего сигнала 80 дБ. Так как обработке должны подвергаться только высшие гармоники, из сигнала следует исключить основную гармонику с частотой 1 кГц. Выполнить это можно с помощью фильтра верхних частот (ФВЧ), аппроксимированная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого соответствует кривой 5 на фиг.1. Гармоники выше второй попадают в полосу пропускания фильтра, а основная гармоника будет подавлена. Представленная АЧХ ФВЧ применима и при использовании других кривых ПС и не нуждается в перестройке по уровню. Потребуется только перестройка по частоте при изменении частоты испытательного гармонического сигнала.
Далее следует произвести воздействие на интенсивности высших гармоник в строго определенном количественном соотношении, соответствующем высокочастотному склону кривой ПС - кривой 3 выше частоты 1 кГц. Реализовать это можно с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ), АЧХ которого можно аппроксимировать с помощью прямой линии (линия 3a на фиг.1) в зоне пропускания в сочетании с наклонной кривой (кривая 36 на фиг.1) в переходной зоне, имитирующей часть кривой ПС. Частотная зона, расположенная между АЧХ ФВЧ и АЧХ ФНЧ (заштрихованная наклонными прямыми), представляет по своей сути зону пропускания полосового фильтра, в которую попадут те части интенсивностей высших гармоник, которые будут маскироваться слуховой системой, а значит, не будут слышны. Далее следует из спектра исходного сигнала вычесть спектр маскированных высших гармоник, пропущенный полосовым фильтром, и тогда в спектре измеряемого сигнала будут присутствовать основная гармоника и высшие гармоники с измененными интенсивностями, согласно той или иной АЧХ полосового фильтра, что определяется уровнем исходного сигнала.
АЧХ полосового фильтра, образованная частями зависимостей 5 и 3б, ограничивающими заштрихованную на фиг.1 зону, и будет той корректирующей характеристикой, формальное применение которой в ходе частотной обработки результатов измерения позволит достичь желаемого результата. Другие формы АЧХ полосового фильтра при других интенсивностях исходного сигнала формируются подобным описанному выше способом.
Для предлагаемых способов измерения исходным сигналом, подвергаемым описанной выше частотной обработке, является либо выходной сигнал объекта измерения, либо продифференцированный сигнал на выходе первого блока дифференцирования, либо дважды продифференцированный сигнал на выходе второго блока дифференцирования.
Далее измерительная процедура требует оценки и сравнения интенсивностей составляющих сигнала, осуществить которые можно с помощью радиоизмерительных приборов, входящих в контрольно-измерительный блок. Количественными оценками искажений будут частичные и/или суммарный коэффициенты. При осуществлении способа п.1 ф-лы это коэффициенты маскированных гармоник, при осуществлении способов пп.2 и 3 ф-лы это коэффициенты маскированных и взвешенных гармоник и коэффициенты маскированных и дважды взвешенных гармоник.
Реализовать описанные выше этапы измерительной процедуры можно с помощью предлагаемого устройства, структурная схема которого представлена на фиг.2. В его состав входят последовательно соединенные генератор 1 гармонических колебаний, объект 2 измерения, подключаемый между входной 11 и выходной 12 клеммами, перестраиваемый блок 3 выравнивания уровней, первый блок 5 дифференцирования, второй блок 7 дифференцирования, контрольно-измерительный блок 10, а также первый выключатель 6, шунтирующий первый блок 5 дифференцирования, второй выключатель 8, шунтирующий второй блок 7 дифференцирования и идентичные первый 4 и второй 9 блоки индикации, подключенные соответственно к выходу блока 3 выравнивания уровней сигналов и выходу второго блока 7 дифференцирования. Блок 3 выравнивания уровней сигнала, а также первый 4 и второй 9 блоки индикации обеспечивают снижение методических погрешностей измерения, неизбежных при проведении аппаратурного дифференцирования. Наличие этих блоков не влияет на результаты измерения, поскольку они не вносят изменений в форму электрического сигнала.
Введенным блоком является блок 13 частотной обработки сигнала, зашунтированный третьим выключателем 19, подключенный между выходом второго блока 7 дифференцирования и входом контрольно-измерительного блока 10 и состоящий из устройства 14 сравнения, осуществляющего нахождение разности между исходным искаженным сигналом (продифференцированным, продифференцированным дважды или вообще не продифференцированным выходным сигналом объекта 2 измерения, что зависит от положений первого 6 и второго 8 выключателей) и сигналом, полученным из исходного, путем обработки с помощью полосового фильтра 15, в котором производится воздействие на интенсивности высших гармоник, согласно той или иной кривой ПС, соответствующей частоте и интенсивности маскирующего сигнала, которым является основная гармоника. Полосовой фильтр 15 реализован параллельным включением фильтра 16 нижних частот и фильтра 17 верхних частот. Их выходные сигналы подаются на входы сумматора 18. Фильтры 16 и 17 по частоте перестраиваются одновременно. Одновременная перестройка по частоте фильтров 16 и 17 потребуется при изменении частоты испытательного гармонического сигнала, вырабатываемого генератором 1 гармонических колебаний. В перестройке по уровню нуждается только фильтр 16 нижних частот. Она потребуется при проведении измерений, условия которых предусматривают другие уровни прослушивания с использованием объекта 2 измерения.
Исходный сигнал и выходной сигнал сумматора 18 поступают на разные входы устройства 14 сравнения, выходной сигнал которого далее подвергается качественному и количественному анализу устройствами в контрольно-измерительном блоке 10.
Получение исходного сигнала при реализации предлагаемого способа п.1 ф-лы достигается замыканием первого 6 и второго 8 выключателей. Получение сходного сигнала для реализации предлагаемых способов пп.2 и 3 ф-лы достигается размыканием первого выключателя 6 или обоих выключателей 6 и 8.
Контрольно-измерительный блок 10 может содержать осциллограф, частотно-избирательный вольтметр и/или промышленный измеритель нелинейных (точнее - гармонических) искажений, что позволит провести зрительное наблюдение формы сигнала, а также выделить и оценить интенсивности всех гармоник или непосредственно определить тот или иной суммарный коэффициент искажений.
Количественная оценка дополнительно определяемых устройством суммарного и/или частичных коэффициентов производится так же, как в стандартизованном способе-прототипе п.1 ф-лы: для частичных коэффициентов находятся отношения интенсивностей отдельных гармоник к интенсивности первой гармоники, для суммарного коэффициента находится отношение среднеквадратической суммы интенсивностей гармоник высших порядков либо к интенсивности первой гармоники, либо к среднеквадратической сумме интенсивностей всех гармоник.
Подадим на вход объекта 2 измерения испытательный гармонический сигнал вида
<mrow><msub><mi>s</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mi>m</mi></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                                          (1)</mtext></mrow>
m
о
где S - амплитудное значение; φ - начальная фаза.
Предположим, что нелинейность объекта 2 измерения можно описать полиномом вида
<mrow><msub><mi>s</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mrow><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>s</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext>                                                                    (2)</mtext></mrow>
Выходной сигнал объекта 2 измерения исказиться, т.е. в его спектре, кроме основной гармоники появятся гармоники высших порядков.
В общем случае выражение для выходного сигнала объекта 2 измерения можно записать
<mrow><msub><mi>s</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mi>п</mi></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext>                                                          (3)</mtext></mrow>
п
mn
n
где S - постоянная составляющая, которая при измерениях не подвергается оценке; n - номер гармоники; S - амплитудное значение n-й гармоники; φ - начальная фаза n-й гармоники.
Выражения для частичных и суммарного коэффициентов гармоник, измеренных способом-прототипом п.1 ф-лы, можно записать
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>m</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Σ</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>2</mn><mi>k</mi></munderover><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>m</mi><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mstyle></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>m</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msqrt><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>2</mn><mi>k</mi></munderover><mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mstyle></mrow></msqrt><mo>.</mo><mtext>                                              (4)</mtext></mrow>
,
МГΣ
МГ2
МГ3
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>М</mi><mi>Г</mi><mi>Σ</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>М</mi><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>М</mi><mi>Г</mi><mn>3</mn></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>М</mi><mi>Г</mi><mi>Σ</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>М</mi><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>K</mi><mrow><mi>М</mi><mi>Г</mi><mn>3</mn></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
При осуществлении предлагаемых в пп.1 и 2 ф-лы способов результатами измерения будут суммарный и частичные коэффициенты маскированных гармоник К, К, К и т.д., суммарный и частичные коэффициенты маскированных и взвешенных гармоник
,
,
и т.д., суммарный и частичные коэффициенты маскированных и дважды взвешенных гармоник
,
,
и т.д. Выполняться расчеты должны по формулам, аналогичным формулам (4), но амплитудные значения высших n-х гармоник должны соответствовать значениям, полученным в ходе измерения, согласно тому или иному предлагаемому способу. По своей величине эти коэффициенты окажутся меньше своих коэффициентов-прототипов, однако по своей сути полученные значения коэффициентов будут адаптированы к слуховому восприятию искажений человеком.
Таким образом, введение в измерительную процедуру заявленных способов измерения (пп.1 и 2 ф-лы) операции изменения интенсивностей высших гармоник в соответствии с подъемом кривой порога слышимости обеспечит повышение степени корреляции объективных и субъективных оценок качества звукопередачи. При этом введение блока частотной обработки в заявленное устройство (п.3 ф-лы) позволит ему обладать дополнительными по отношению к прототипу функциями - возможностями определения коэффициентов искажений, отражающих эффект маскирования слухом высших гармоник сигнала, что позволяет расширить набор определяемых с его помощью коэффициентов нелинейности.
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной группы изобретений следующих условий:
- способ (варианты) и устройство, воплощающие заявленную группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в контрольно-измерительной технике для выявления и оценки гармонических искажений сигнала, вносимых звукотехнической аппаратурой, в частности звукоусилительной аппаратурой;
- для заявленной группы изобретений в том виде, как они охарактеризованы в формуле изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- способ (варианты) и устройство, воплощающие заявленную группу изобретений при их осуществлении, способны обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Ковалгин Ю.А., Вологдин Э.И. Цифровое кодирование звуковых сигналов. - СПб.: КОРОНА-принт, 2004. - 240 с. (с.129-210).
2. Гендри К. Системы шумоподавления. - М.: Звукорежиссер, 2004, №6, с.49-53.
3. ГОСТ 23849-87. АППАРАТУРА РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ БЫТОВАЯ. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты, п.4.6.1 - прототип п.1 ф-лы.
4. Авторское свидетельство 1120253 A, МПК G01R 23/20. Способ измерения нелинейных искажений электрического сигнала и устройство для его осуществления / Журавлев В.М., Тихонова Л.С; заявитель и патентообладатель Ленинградский институт киноинженеров. Опубликовано: 23.10.1984, бюллетень №39 - прототип п.2 ф-лы.
5. Патент на изобретение 2456624 (RU 2456624 C1) Российской Федерации, МПК G01R 23/20 (2006.01). Устройство для измерения гармонических искажений электрического сигнала и его производных / Тихонова Л.С.; заявитель и патентообладатель Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения. - №2010145565/28, 09.11.2010. Опубл.: 20.07.2012, бюллетень №20 - прототип п.3 ф-лы.