RU2538031C2 - Method for highly directional reception of sound waves - Google Patents
Method for highly directional reception of sound waves Download PDFInfo
- Publication number
- RU2538031C2 RU2538031C2 RU2012144160/28A RU2012144160A RU2538031C2 RU 2538031 C2 RU2538031 C2 RU 2538031C2 RU 2012144160/28 A RU2012144160/28 A RU 2012144160/28A RU 2012144160 A RU2012144160 A RU 2012144160A RU 2538031 C2 RU2538031 C2 RU 2538031C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sound
- microphones
- frequency
- filters
- outputs
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
Abstract
Description
Предлагается способ остронаправленного приема звуковых волн, который может найти применение в качестве приемников звука, а также в целом ряде акустических специфических применений научного и исследовательского характера.A method for sharply directed reception of sound waves is proposed, which can be used as sound receivers, as well as in a number of specific acoustic applications of a scientific and research nature.
Известен способ [1, 2] остронаправленного приема звука в конструкторском исполнении, изображенном на фиг.1, как микрофона трубчатого типа и в виде интерференционного микрофона типа «бегущей волны» на фиг.2 в виде одной трубки с отверстиями.The known method [1, 2] sharply directed sound reception in the design shown in figure 1, as a tube-type microphone and in the form of an interference microphone of the "traveling wave" type in figure 2 in the form of a single tube with holes.
При реализации известного способа в конструктивном исполнении на фиг.1 звуковая волна 1 с фронтом 2 воздействуют на входы 3 звуковых каналов-трубок 4 с линейно изменяющейся длиной. Противоположные концы трубок 4 собирают в единую торцевую плоскость и помещают в корпус 5 микрофона 7 в его предкапсюльном объеме 6. Микрофон 7 может быть электродинамическим или конденсаторным и воспринимает звуковое давление, которое поступает в объем 6 только из звуковых трубок 4.When implementing the known method in the design of FIG. 1, a sound wave 1 with a
Известный способ в другом конструктивном исполнении на фиг.2 реализуется одним звуковым каналом-трубкой 4 с акустическими приемниками звука в виде отверстий 8 в трубке, которые, как и на фиг.1, линейно расположены по длине канала 4, включая и вход в торце 3 трубки. Канал-трубку вводят в корпус 5 микрофона 7 в предкапсюльный объем 5.The known method in another embodiment of FIG. 2 is implemented by one sound channel-
Если фронт звуковой волны 2 нормален к оси звуковых трубок, то поступление звукового давления на приемную поверхность микрофона 7 из входов 3 на фиг.1 или из входов 8 на фиг.2 происходит с одинаковой фазой и их амплитуды складываются.If the front of the
Такое положение микрофона называют нулевым.This position of the microphone is called zero.
Звуковые волны, которые поступают в звуковые каналы под углом ±α к нулевому положению, воздействуют на приемную поверхность микрофона задержанным по времени на Δtзад, т.е. оказываются сдвинутыми по фазе. Максимальная задержка возникает между крайними приемниками звука при α=90°.Sound waves that enter the sound channels at an angle of ± α to the zero position act on the receiving surface of the microphone for a time delayed Δt ass , i.e. turn out to be phase shifted. The maximum delay occurs between the extreme sound receivers at α = 90 °.
Так при α=90° величина Δtзад равна Δtзад=d/Сзв, где d - разница в длине каналов на фиг.1 или расстояние между отверстиями на фиг.2, Сзв - скорость звука.So at α = 90 °, the value of Δt ass is equal to Δt ass = d / Sv, where d is the difference in the length of the channels in Fig. 1 or the distance between the holes in Fig. 2, Sv is the speed of sound.
Таким образом, при изменении угла α от одного крайнего положения α=0 до другого крайнего положения α=90° изменяется время задержки Δtзад от нуля (при α=0) до максимума.Thus, when the angle α changes from one extreme position α = 0 to the other extreme position α = 90 °, the delay time Δt ass changes from zero (at α = 0) to the maximum.
При 0<α<90° величину задержки можно записать в виде (см. фиг.1 и 2):At 0 <α <90 °, the delay value can be written as (see Figs. 1 and 2):
Произведение Δtзад·Сзв имеет размерность длины и, следовательно, применительно к звуковым колебаниям соизмеримо с их длиной волны (λ=Сзв/fзв - частота звуковых колебаний), т.е. задержка по фазе на 180°, например, соответствует задержке по фазе, равной 0,5λзв.The product Δt ass · Szv has a dimension of length and, therefore, in relation to sound vibrations is comparable with their wavelength (λ = Szv / fsv is the frequency of sound vibrations), i.e. 180 ° phase delay, for example, corresponds to a phase delay of 0.5λ sv.
Выражение (1) характеризует известный способ и позволяет при заданных значениях α и d рассчитать частоту звуковых колебаний fзв, при которой произойдет полная компенсация звуковых давлений в микрофоне на его приемной поверхности. Так, при нижней частоте звукового сигнала fнч=340 Гц, 0,5λзв=0,5 м компенсация звуковых колебаний на приемной поверхности микрофона при α=20° оказывается возможной, если d между акустическими входами будет равным:Expression (1) characterizes the known method and allows for given values of α and d to calculate the frequency of sound vibrations fzv at which there will be a full compensation of sound pressure in the microphone on its receiving surface. So, at the lower frequency of the sound signal fnch = 340 Hz, 0.5λvz = 0.5 m, compensation of sound vibrations on the microphone’s receiving surface at α = 20 ° is possible if d between the acoustic inputs is equal to:
а при α=45° d≈1,7 м.and at α = 45 ° d≈1.7 m.
При увеличении fзв длина d конечно уменьшается, однако для репортерских задач и приема речевых сигналов звуковые приемные каналы в известном способе оказываются или достаточно длинными, или при их укорочении теряют общую остроту направленности.With increasing fsv, the length d of course decreases, however, for reporter tasks and receiving speech signals, the sound receiving channels in the known method turn out to be either sufficiently long or, when they are shortened, lose their general directivity.
Указанный недостаток является первым в известном способе остронаправленного приема звука.This drawback is the first in the known method of directional sound reception.
Другим недостатком известного способа является появление в звуковом канале (особенно на фиг.2) паразитных звуковых колебаний, которые возникают в результате отражений приходящих звуковых волн от приемной поверхности микрофонов и от отверстий в этих каналах.Another disadvantage of this method is the appearance in the sound channel (especially in figure 2) of spurious sound vibrations that arise as a result of reflections of incoming sound waves from the receiving surface of the microphones and from the holes in these channels.
Известно [3], что практически все духовые музыкальные инструменты построены на возникновении резонансных частот за счет отражения звуковых волн от неоднородностей в виде отверстий в звуковом канале, которые снабжают подвижными клапанами.It is known [3] that almost all wind musical instruments are built on the emergence of resonant frequencies due to the reflection of sound waves from inhomogeneities in the form of holes in the sound channel, which are equipped with movable valves.
По своим техническим характеристикам известный способ формирования остронаправленного приема звука по [1 и 2] можно рассматривать как прототип (аналог) предлагаемого способа. According to its technical characteristics, the known method for the formation of sharply directed sound reception according to [1 and 2] can be considered as a prototype (analog) of the proposed method.
Техническим решением предложения является устранение указанных недостатков:The technical solution to the proposal is to address these shortcomings:
- изменение временной задержки Δtзад, используемой в способе [1, 2], на другую зависимость, которая бы обеспечивала уменьшение линейного размера d при том же значении α;- change the time delay Δt back used in the method [1, 2], to another dependence, which would provide a decrease in the linear size d with the same value of α;
- исключение при приеме звуковых волн возможных резонансных паразитных колебаний.- an exception when receiving sound waves of possible resonant spurious oscillations.
Предложенный способ остронаправленного приема звуковых волн, в котором прием звука осуществляют приемниками звуковых волн, расположенными на жесткой линейной основе. В соответствии с предложением в качестве приемников звука используют не менее четырех микрофонов, нулевое направление приемника определяют нормальным положением оси источника звука - середина упомянутой основы с микрофонами, при этом выходы микрофонов попарно подключают к входам операционных суммирующих усилителей, выходные сигналы которых используют для формирования единого выходного сигнала, а расстояние между парами на линейной основе определяют из выражения:The proposed method is a sharply directed reception of sound waves, in which sound is received by sound wave receivers located on a rigid linear basis. In accordance with the proposal, at least four microphones are used as sound receivers, the zero direction of the receiver is determined by the normal position of the axis of the sound source - the middle of the mentioned base with microphones, while the microphone outputs are connected in pairs to the inputs of operational summing amplifiers, the output signals of which are used to form a single output signal, and the distance between pairs on a linear basis is determined from the expression:
причем в цепи микрофон - вход усилителя каждой пары микрофонов включают электрические фильтры на частоты, которые соответствуют основным критическим полосам частот слуха человека так, что в цепи пары микрофонов с максимальным расстоянием между ними Lmax включают фильтры на низкочастотную составляющую звука, а в цепи пар микрофонов со средним и минимальным расстоянием между парами Lcp и Lmin включают фильтры на средне- и высокочастотные составляющие звука, где Δλзв - сдвиг по фазе на входах пары микрофонов при отклонении фронта звуковой волны от нулевого положения на угол ±α, выраженный в долях длины волны λзв частоты λзв=Сзв/fзв, а Сзв и fзв соответственно скорость звука и частота составляющей звука.moreover, in the microphone - input circuit of the amplifier of each pair of microphones include electric filters for frequencies that correspond to the main critical frequency bands of the human hearing so that in the circuit of a pair of microphones with a maximum distance between them Lmax include filters for the low-frequency component of sound, and in the chain of pairs of microphones with the average and minimum distance between pairs Lcp and Lmin include filters for the medium and high-frequency components of sound, where Δλsv is the phase shift at the inputs of a pair of microphones when the sound wave front is deflected m zero position by an angle of ± α, expressed in fractions of the wavelength of the frequency λzv λzv = SCB / fzv and SCB fzv and accordingly the speed of sound and the sound frequency component.
Сущность предложенного способа поясняется схемами и чертежами:The essence of the proposed method is illustrated by diagrams and drawings:
фиг.1 - остронаправленный приемник звука трубчатого типа, где 1 - звуковая волна, 2 - фронт волны, 3 - приемники звуковых волн, 4 - звуковые каналы-трубки, 5 - предкапсюльный объем, 6 - защитный корпус микрофона, 7 - приемная поверхность микрофона (собственно микрофон);figure 1 - sharply directed receiver of sound of a tubular type, where 1 is the sound wave, 2 is the wave front, 3 is the sound wave receivers, 4 is the sound channel tubes, 5 is the precapsular volume, 6 is the microphone protective housing, 7 is the microphone receiving surface (actually the microphone);
фиг.2 - остронаправленный приемник звуковых волн типа «бегущая волна», где 8 - отверстия - приемники звуковых волн, 9 - микрофон;figure 2 - sharply directed receiver of sound waves of the type "traveling wave", where 8 - holes - receivers of sound waves, 9 - microphone;
фиг.3 - остронаправленный приемник звуковых волн, реализующий предложенный способ, где 10 - жесткая линейная основа в виде прямоугольной трубки, которая изображена по сечениям DE и MN, 11 - специальная полая ручка, 12 - конструктивные элементы для крепления на различных опорах; в сечении основы 10 по DE 13 - стакан с микрофоном 9, вставляемый в основу, 14 - отверстие в стакане 13 для вывода проводов;figure 3 - sharply directed receiver of sound waves that implements the proposed method, where 10 is a rigid linear base in the form of a rectangular tube, which is shown in sections DE and MN, 11 is a special hollow handle, 12 are structural elements for mounting on various supports; in the cross section of the
фиг.4 - кривые избирательности слуха человека (критические полосы частот слуха из [6]);figure 4 - curves of the selectivity of human hearing (critical frequency bands of hearing from [6]);
фиг.5 - плотность вероятности встречаемости формант (из работы [6]);figure 5 - probability density of the occurrence of formants (from [6]);
фиг.6 - функциональная схема соединения основных элементов по предложенному способу, где 15-15 - фильтры в цепи пары микрофонов с Lmax, 15'-15' - фильтры в цепи пары микрофонов с Lcp, 15''-15'' - фильтры в цепи пары микрофонов с Lmin; 16 - суммирующий операционный усилитель.6 is a functional diagram of the connection of the main elements according to the proposed method, where 15-15 are filters in the circuit of a pair of microphones with Lmax, 15'-15 'are filters in the circuit of a pair of microphones with Lcp, 15' '- 15' 'are filters in Microphone pair circuit with Lmin; 16 is a summing operational amplifier.
Как следует из фиг.3, звуковая волна 1 с фронтом 2 воздействует на приемные поверхности микрофонов 9, которые жестко установлены в отверстиях 8 жесткой линейки 10. Линейку снабжают специальной ручкой 11, которую жестко соединяют с линейкой. Ручка 11 полая внутри для размещения усилителей, фильтров и источников питания, а снаружи ее снабжают конструктивными элементами 12 для крепления ее на различных внешних опорах.As follows from figure 3, the sound wave 1 with the
На фиг.3 ручка 11 расположена на условной середине линейки 10, однако ее можно располагать на любом участке линейки и даже за пределами микрофонов 9, для чего длину линейки следует увеличить, однако середина линейной основы между микрофонами Lmax сохраняется как середина приемника. Приведены также поперечное сечение линейки 10 по DE и MN. По сечению DE показан возможный вариант жесткой установки микрофона 9 в стакан 13 (круглой формы, если в качестве микрофона использован электретный конденсатор в форме круглого диска). Стакан 13 вставляют в отверстие 8 линейки 10, обеспечивая жесткое фиксированное положение стакана в отверстии. По сечению MN показано исполнение линейки 10, в частности, в виде полой трубы прямоугольного сечения. Следует отметить, что линейка может быть металлическая или пластиковая, а по сечению от круга до прямоугольника. Размеры линейки определяются внешними размерами микрофонов и регистрируемыми частотами звуковых волн fзв.In figure 3, the
На дне стакана 13 делают отверстия 14 для проводов.At the bottom of the
Нулевое направление при остронаправленном приеме звука в предлагаемом способе на фиг.3 соответствует положению, когда ось источника звука - середина основы с микрофонами, нормальна к самой линейной основе (то есть фронт звуковой волны параллелен линии основы). При α=0 воздействующий на микрофоны звуковой фронт будет иметь единую фазу.The zero direction in the directionally receiving sound in the proposed method in figure 3 corresponds to the position when the axis of the sound source is the middle of the base with microphones, normal to the linear base itself (that is, the front of the sound wave is parallel to the base line). At α = 0, the sound front acting on the microphones will have a single phase.
При боковом приходе звуковой волны 2 на любые пары микрофонов 9, изображенных на фиг.3, то есть при α≠0, ее воздействие оказывается не синфазным, а с временной задержкой Δtзад в один из микрофонов пары. Из фиг.3 следует, что максимальная величина Δtзад возникает у пары микрофонов с расстоянием Lmax между ними. Из треугольника АВС на фиг.3 видно, что величина задержки - сторона ВС треугольника АВС - может быть записана в виде:With the lateral arrival of
или, выражая ВС через величину временной задержки Δtзад поступления звуковой волны во второй микрофон пары, выражение (2) принимает вид:or, expressing the AC through the value of the time delay Δt, the back of the sound wave entering the second microphone of the pair, expression (2) takes the form:
Величину Δtзад·Cзв=Δλзв можно рассматривать как фазовый сдвиг воздействия на любую пару микрофонов звуковой волны, выраженный в долях длины волны звука λзв=Сзв/fзв.The value of Δt ass · C sv = Δλ sv can be considered as the phase shift of the action on any pair of microphones of the sound wave, expressed in fractions of the sound wavelength λsv = Svs / fsv.
Воспользуемся (3) и произведем расчет расстояния L. Используя для расчета данные при расчете расстояний d в известном аналоге, а именно: α=20°, sinα=0,342, Δλзв=0,5·Сзв/fзв при Сзв=340 м/с и fзв=340 Гц.We use (3) and calculate the distance L. Using the data for calculating the distances d in the well-known analogue to calculate, namely: α = 20 °, sinα = 0.342, Δλzv = 0.5Svz / fvz at Svz = 340 m / s and fzv = 340 Hz.
Таким образом, предложенный способ позволяет уменьшить линейный размер приемника звука в 5,5 раз по сравнению с аналогом при использовании выражения (1).Thus, the proposed method allows to reduce the linear size of the sound receiver by 5.5 times compared with the analogue when using expression (1).
Любой приемник звука, преобразующий звуковые колебания в воздушной среде в электрический сигнал, подобен слуховому аппарату, созданному природой у человека. Особенность слуха человека заключается в том, что воспринимаемый сложный звуковой сигнал анализируется по частоте, по амплитуде и с определенными временными характеристиками [4]. Острая направленность приема звуковых волн является специфической характеристикой. Неэффективность таких приемников при записи, например музыкальных звучаний, очевидна, однако разговор в этих же условиях может быть «услышан».Any sound receiver that converts sound vibrations in the air into an electrical signal is similar to a hearing aid created by nature in humans. The peculiarity of human hearing is that the perceived complex sound signal is analyzed in frequency, amplitude and with certain temporal characteristics [4]. The sharp focus of receiving sound waves is a specific characteristic. The inefficiency of such receivers when recording, for example, musical sounds, is obvious, but a conversation under the same conditions can be “heard”.
Далее анализ предложенного способа будет осуществлен на примере приема человеческой речи.Further, the analysis of the proposed method will be carried out on the example of the reception of human speech.
Речевой тракт - сложный непрерывно перестраиваемый фильтр с набором резонансов, которые создаются полостями рта, носа и носоглотки. Монотонный спектр импульсов основного тона, возникающий в голосовых связках, преобразуется в спектр с максимумами и минимумами. Такие максимумы в спектре речи называют формантами [2, 4, 5]. При этом первая форманта Ф1 занимает полосу частот 270-700 Гц, вторая форманта занимает полосу 600-2000 Гц, третья форманта занимает полосу 2300-3000 Гц. На фиг.4 представлены кривые избирательности слуха человека из работы [6], которые носят название критических частотных полос слуха. На фиг.5 представлены кривые плотности вероятности встречаемости формант в русской речи человека из работы [5].The speech tract is a complex continuously tunable filter with a set of resonances that are created by the mouth, nose and nasopharynx. The monotonous spectrum of the pulses of the fundamental tone that occurs in the vocal cords is converted into a spectrum with maxima and minima. Such maxima in the spectrum of speech are called formants [2, 4, 5]. In this case, the first formant F 1 occupies the frequency band 270-700 Hz, the second formant occupies the band 600-2000 Hz, the third formant occupies the band 2300-3000 Hz. Figure 4 presents the curves of the selectivity of human hearing from the work [6], which are called the critical frequency bands of hearing. Figure 5 presents the probability density curves of the occurrence of formants in Russian human speech from [5].
На основании изложенного авторы считают целесообразным использовать электрические фильтры в целях микрофон-операционный суммирующий усилитель, как показано на фиг.6, соответствующие критическим частотным полосам слуха человека. Так как речь характеризуют три основные форманты, то и число фильтров должно быть три.Based on the foregoing, the authors consider it appropriate to use electric filters for the purpose of a microphone-operational summing amplifier, as shown in Fig.6, corresponding to the critical frequency bands of human hearing. Since speech is characterized by three main formants, the number of filters should be three.
Для специфических, например, биологических задач регистрации звуков от каких-либо биологических объектов в условиях шума, число фильтров будет определяться полосой критических частот ожидаемого источника звука и, следовательно, число используемых микрофонов также будет иным.For specific, for example, biological problems of recording sounds from any biological objects in noise conditions, the number of filters will be determined by the critical frequency band of the expected sound source and, therefore, the number of microphones used will also be different.
По мнению авторов предложенный способ может быть применен при остронаправленном приеме звуковых волн в областях частот, которые человек не слышит - в инфра- и ультразвуке.According to the authors, the proposed method can be used for sharply directed reception of sound waves in the frequency regions that a person does not hear - in infra- and ultrasound.
Из фиг.6 видно, что пара микрофонов 9 с расстоянием Lmax должна обеспечивать выделение фильтрами 15-15 низкочастотной составляющей звуковых волн (соответствующий форманте Ф1, в полосе 270-700 Гц со средней частотой в полосе ~500 Гц). Пары микрофонов 9 с расстояниями Lcp и Lmin снабжаются фильтрами, обеспечивающими усиление составляющих звукового сигнала в полосе частот форманты Ф2 (со средней частотой фильтра 1300 Гц) и в полосе частот форманты Ф3 (со средней частотой фильтра ~2700 Гц).Figure 6 shows that a pair of
Расстояние между микрофонами 9 на основе 10 устанавливают задавая необходимое (требуемое) расстояние L. Например, если Lmax по каким-то соображениям не должно превышать 1 м, то угол α, при котором произойдет полная компенсация сигналов в суммирующем усилителе от двух микрофонов на fсрФ1=500 Гц, составит 20°. Можно ли уменьшить этот угол? Можно, если увеличить, например, fсрФ1 до 600 Гц, тогда при L≈1 м α оказывается равным ~17°.The distance between the
Фиксированное расстояние L, соответствующее fcp формант Ф1, Ф2 или Ф3, создает условия, при котором крайние частоты в пределах полосы форманты компенсируются в суммирующих усилителях не полностью, а частично. Из раздела тригонометрии известно, что сумма двух синусоидальных величин с одинаковой частотой ω является также синусоидальной величиной с той же частотой:The fixed distance L corresponding to the fcp formants f 1 , f 2 or f 3 creates the conditions under which the extreme frequencies within the formant band are not fully compensated in the summing amplifiers, but partially. From the section of trigonometry it is known that the sum of two sinusoidal quantities with the same frequency ω is also a sinusoidal value with the same frequency:
A1sin(ωt+φ1)+A2sin(ωt+φ2)=Asin(ωt+φ),A 1 sin (ωt + φ 1) + A 2 sin (ωt + φ 2) = Asin (ωt + φ) ,
где суммарная амплитуда
а фаза
Приведенный на фиг.3 случай воздействия звукового фронта на пару микрофонов 9 происходит в условиях, когда А1=А2 (единый фронт), а одну из фаз, например φ1, можно принять равной нулю (начало отсчета). Тогда выражение (4) можно записать в виде:The case of exposure of a sound front to a pair of
При изменении угла φ2 от 0° до 90° cosφ2 изменяется от 1 до 0, при изменении φ2 от 90° до 180° cosφ2 изменяется от 0 до -1, при изменении φ2 от 180° до 270° cosφ2 изменяется от -1 до 0 и при изменении φ2 от 270° до 360° cosφ2 изменяется от 0 до 1. Приведенные изменения φ2 показывают соответствующие изменения А.When changing the angle φ 2 from 0 ° to 90 °, cosφ 2 varies from 1 to 0, when changing φ 2 from 90 ° to 180 ° cosφ 2 changes from 0 to -1, when changing φ 2 from 180 ° to 270 ° cosφ 2 varies from -1 to 0 and when changing φ 2 from 270 ° to 360 ° cosφ 2 changes from 0 to 1. The given changes of φ 2 show the corresponding changes of A.
Рассчитаем на примере пары микрофонов с расстоянием между ними Lmax и с низкочастотными фильтрами на частоту форманты Ф1 с fкр.Ф=500 Гц амплитуду суммирующего сигнала А на выходе усилителя на крайних частотах форманты Ф1 - 270 Гц и 700 Гц.Let us calculate as an example a pair of microphones with a distance between them Lmax and with low-pass filters at the frequency of the formant Ф 1 with f cr.F = 500 Hz the amplitude of the summing signal A at the amplifier output at the extreme frequencies of the formant Ф 1 - 270 Hz and 700 Hz.
На критической частоте λзв.кр≈0,7 м и α=30° (sinα=0,5) ΔtзадСзв=0,5 λкр=0,35 м, а для fзв=270 Гц λзв=1, 26 м и для fзв=700 Гц λзв=0,48 м и тогда фазовая задержка для частот fзв' и fзв'', переведенная в градусы, составляет 100° для fзв' и 262,5° для fзв''. При этих углах амплитуда А из (5) составляет:At the critical frequency λ zv.kr ≈0,7 m and α = 30 ° (sinα = 0,5) Δt backside SCB = 0.5 λkr = 0.35 m, and for fzv = 270 Hz λzv = 1, 26 m and for fsv = 700 Hz λsv = 0.48 m and then the phase delay for the frequencies fsv and fsv '', translated into degrees, is 100 ° for fsv 'and 262.5 ° for fsv''. At these angles, the amplitude A from (5) is:
Так как при α=0 амплитуды на выходе суммирующего усилителя составляет 2А1, то при введении на входах суммирующих усилителей уровнего порога, например, на амплитуды ~А1, то и крайние частоты формант речи оказываются полностью скомпенсированы в угле рассмотренного примера ~30°.Since at α = 0 the amplitudes at the output of the summing amplifier are 2A 1 , then when the threshold level is introduced at the inputs of the summing amplifiers, for example, at the amplitudes ~ A 1 , then the extreme frequencies of the speech formants are completely compensated in the angle of the considered example ~ 30 °.
Предложенный способ также за счет уменьшения полосы частот формант слуха (например, для низкочастотной форманты Ф1 с 350 до 600 Гц) при введении упомянутого порога уровня на входах суммирующих усилителей позволит сформировать направленность приема звука в угле ±(10°÷15°). Такое утверждение авторов базируется также на том, что смысловая живучесть речевого сигнала уникальна.The proposed method also by reducing the frequency band of hearing formants (for example, for the low-frequency formant F 1 from 350 to 600 Hz) with the introduction of the mentioned threshold level at the inputs of summing amplifiers will allow you to form the direction of sound reception in the angle ± (10 ° ÷ 15 °). This statement by the authors is also based on the fact that the semantic survivability of a speech signal is unique.
Так, при обработке клиппированием аналогового речевого сигнала разборчивость не ухудшается. Амплитудная огибающая речевого сигнала, отделенная от самого сигнала, также сохраняет разборчивость. Даже если в мгновенном спектре речевого сигнала отсутствует всего одна частота, имеющая максимальную амплитуду, то и тогда разборчивость оказывается вполне приемлемой [4, 5].So, when processing the clipping of an analog speech signal, intelligibility does not deteriorate. The amplitude envelope of the speech signal, separated from the signal itself, also retains intelligibility. Even if in the instantaneous spectrum of a speech signal there is only one frequency having a maximum amplitude, then intelligibility is quite acceptable [4, 5].
Аналогичный расчет выполнен авторами и для других критических полос слуха, и результат расчетов оказался практически совпадающим. Сделанные выводы о возможных комбинациях расстояния между микрофонами L (может быть задано потребителями), требуемого угла α и полосы частот формант, могут быть применены для широкого круга приемников звука.A similar calculation was performed by the authors for other critical hearing bands, and the calculation result was almost the same. The conclusions made about possible combinations of the distance between the microphones L (can be set by consumers), the required angle α and the frequency band of the formants can be applied to a wide range of sound receivers.
Понятно, что только при наличии четырех микрофонов возможно создание приемника речи человека с острой направленностью. При наличии у источника звука одной, двух или более формант (критических полос частоты) изменяется и число микрофонов, усилителей и фильтров. На фиг.6 изображен остронаправленный приемник звука в соответствии с предложенным способом, в котором крайние микрофоны 9 с расстоянием Lmax предназначены для регистрации низкочастотных составляющих звука форманты Ф1. Средне- и высокочастотные расстояния Lcp и Lmin возможны при включении микрофонов внутри расстояния Lmax. Формирование пар микрофонов с включением в цепи микрофон-суммирующий усилитель фильтров 15'-15' на средний диапазон форманты Ф2 и 15''-15'' на высокочастотный диапазон показана на фиг.3 и 6. Пороги на входах усилителя не показаны, так как их введение не является обязательным требованием.It is clear that only in the presence of four microphones is it possible to create a receiver of human speech with a sharp focus. If the sound source has one, two or more formants (critical frequency bands), the number of microphones, amplifiers and filters also changes. Figure 6 shows a sharply directed sound receiver in accordance with the proposed method, in which the
Как показано на фиг.3, авторы предлагают операционные усилители, формантные фильтры, источник питания, возможные выключатели и регулировки разместить внутри полой специальной ручки 11, которую снабжают специальным конструктивным элементом для крепления приемника в стационарном положении на любой опоре. Следует также отметить, что по мнению авторов основные комплектующие элементы и материалы для реализации предложенного способа являются общедоступными и не требуют специальных разработок, не считая конструктивного исполнения. Так в качестве приемников звука можно рекомендовать электретные микрофоны конденсаторного типа. Электрические фильтры являются наиболее габаритными элементами, но их ассортимент, как и суммирующих операционных усилителей на электронных сайтах разработчиков-изготовителей также обширен.As shown in figure 3, the authors propose operational amplifiers, formant filters, a power source, possible switches and adjustments to be placed inside a hollow
Таким образом, авторы считают, что предложенный способ остронаправленного приема звуковых волн, воспринимаемых человеческим слухом, позволяет уменьшить геометрические размеры приемника и улучшить характеристики направленности.Thus, the authors believe that the proposed method of sharply directional reception of sound waves perceived by the human hearing, allows to reduce the geometric dimensions of the receiver and improve the directivity.
ЛитератураLiterature
1. Алдошин И.А., Вологдин Э.И., Ефимов А.П. и др. «Электроакустика и звуковое вещание». - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 865 с.1. Aldoshin I.A., Vologdin E.I., Efimov A.P. and others. "Electroacoustics and sound broadcasting." - M .: Hot line - Telecom, 2007.865 s.
2. Вахитов Ш.Я., Ковалгин Ю.А., Фадеев А.А., Щевьев Ю.П. «Акустика». - М.: Горячая линия - Телеком, 2009. - 660 с.2. Vakhitov Sh.Ya., Kovalgin Yu.A., Fadeev A.A., Shcheviev Yu.P. "Acoustics". - M .: Hot line - Telecom, 2009 .-- 660 p.
3. Кузнецов А.А. «Акустика музыкальных инструментов». - М.: Искусство, 1989.3. Kuznetsov A.A. "Acoustics of musical instruments." - M.: Art, 1989.
4. Сапожков М.А. «Речевой сигнал в кибернетике и связи». - М.: Связьиздат, 1963. - 452 с.4. Sapozhkov M.A. "A speech signal in cybernetics and communication." - M .: Svyazizdat, 1963 .-- 452 p.
5. Михайлов В.Г., Златоустова Л.В. «Измерение параметров речи». - М.: Радио и связь, 1987. - 168 с.5. Mikhailov V.G., Zlatoustova L.V. "Measurement of speech parameters." - M .: Radio and communications, 1987. - 168 p.
6. Сапожков М.А. «Электроакустика». - М.: Связь, 1978. - 272 с.6. Sapozhkov M.A. "Electroacoustics". - M.: Communication, 1978.- 272 p.
Claims (1)
где - сдвиг по фазе на выходах пары микрофонов при отклонении фронта звуковой волны от нулевого положения на угол ±, выраженный в долях длины звуковой волны , Cзв и fзв - соответственно скорость звука и частота составляющей звукового сигнала. A method of highly directional reception of sound waves, in which the reception is carried out by receivers located on a rigid linear basis, characterized in that at least four microphones are used as the receiving sound, the zero direction of the receiver is determined by the normal position of the axis of the sound source — the middle of the base, and the outputs of the pair microphones are connected to two inputs of the operational amplifier through electric filters at frequencies that correspond to the critical frequency bands of a person’s hearing, and the number of opera at least three radio amplifiers, and the microphone outputs with a maximum distance between them L max are connected to the operational amplifier through low-pass filters, pairs of microphones located at a distance of L cf and L min , respectively, are connected through medium and high-frequency filters, the output signals of the mentioned operational summing amplifiers are used to form a single output signal, and the values of these distances are set from the expression
Where - phase shift at the outputs of a pair of microphones when the front of the sound wave deviates from the zero position by an angle ± expressed as fractions of the sound wavelength , C sv and f sv are the speed of sound and the frequency of the component of the sound signal, respectively.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012144160/28A RU2538031C2 (en) | 2012-10-16 | 2012-10-16 | Method for highly directional reception of sound waves |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012144160/28A RU2538031C2 (en) | 2012-10-16 | 2012-10-16 | Method for highly directional reception of sound waves |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012144160A RU2012144160A (en) | 2014-04-27 |
RU2538031C2 true RU2538031C2 (en) | 2015-01-10 |
Family
ID=50515136
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012144160/28A RU2538031C2 (en) | 2012-10-16 | 2012-10-16 | Method for highly directional reception of sound waves |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2538031C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2623654C1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-06-28 | Михаил Алексеевич Горбунов | Directional reception of sound signals in solid angle |
RU2643690C2 (en) * | 2016-02-20 | 2018-02-05 | Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) | Method for correcting axis direction of reflective sonic receiver to visualally difficultly observed or undisclosed sound sources |
RU205914U1 (en) * | 2021-01-12 | 2021-08-12 | Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА" | Stand for studying the change in the rotor noise of an unmanned aerial vehicle from the rotational speed by sound impact on the system of sound wave receivers |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4751738A (en) * | 1984-11-29 | 1988-06-14 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Directional hearing aid |
JPS6489895A (en) * | 1987-09-30 | 1989-04-05 | Sony Corp | Microphone device |
JPH04309097A (en) * | 1991-04-05 | 1992-10-30 | Ricoh Co Ltd | Directivity microphone system |
RU156U1 (en) * | 1993-07-29 | 1994-11-25 | Товарищество с ограниченной ответственностью - Фирма "Дуэт" | Device for compensating for hearing loss |
DE4436272A1 (en) * | 1994-10-11 | 1996-04-18 | Schalltechnik Dr Ing Schoeps G | Influencing the directional characteristics of acousto-electrical receiver device with at least two microphones with different individual directional characteristics |
US5793875A (en) * | 1996-04-22 | 1998-08-11 | Cardinal Sound Labs, Inc. | Directional hearing system |
JP2000278783A (en) * | 1999-03-26 | 2000-10-06 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Broadband directivity microphone |
US20020031234A1 (en) * | 2000-06-28 | 2002-03-14 | Wenger Matthew P. | Microphone system for in-car audio pickup |
-
2012
- 2012-10-16 RU RU2012144160/28A patent/RU2538031C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4751738A (en) * | 1984-11-29 | 1988-06-14 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Directional hearing aid |
JPS6489895A (en) * | 1987-09-30 | 1989-04-05 | Sony Corp | Microphone device |
JPH04309097A (en) * | 1991-04-05 | 1992-10-30 | Ricoh Co Ltd | Directivity microphone system |
RU156U1 (en) * | 1993-07-29 | 1994-11-25 | Товарищество с ограниченной ответственностью - Фирма "Дуэт" | Device for compensating for hearing loss |
DE4436272A1 (en) * | 1994-10-11 | 1996-04-18 | Schalltechnik Dr Ing Schoeps G | Influencing the directional characteristics of acousto-electrical receiver device with at least two microphones with different individual directional characteristics |
US5793875A (en) * | 1996-04-22 | 1998-08-11 | Cardinal Sound Labs, Inc. | Directional hearing system |
JP2000278783A (en) * | 1999-03-26 | 2000-10-06 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Broadband directivity microphone |
US20020031234A1 (en) * | 2000-06-28 | 2002-03-14 | Wenger Matthew P. | Microphone system for in-car audio pickup |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2643690C2 (en) * | 2016-02-20 | 2018-02-05 | Ордена трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технический университет связи и информатики" (МТУСИ) | Method for correcting axis direction of reflective sonic receiver to visualally difficultly observed or undisclosed sound sources |
RU2623654C1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-06-28 | Михаил Алексеевич Горбунов | Directional reception of sound signals in solid angle |
RU205914U1 (en) * | 2021-01-12 | 2021-08-12 | Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА" | Stand for studying the change in the rotor noise of an unmanned aerial vehicle from the rotational speed by sound impact on the system of sound wave receivers |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012144160A (en) | 2014-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0720811B1 (en) | Noise reduction system for binaural hearing aid | |
KR101470262B1 (en) | Systems, methods, apparatus, and computer-readable media for multi-microphone location-selective processing | |
KR101275442B1 (en) | Systems, methods, apparatus, and computer-readable media for phase-based processing of multichannel signal | |
EP2647221B1 (en) | Apparatus and method for spatially selective sound acquisition by acoustic triangulation | |
JP5493850B2 (en) | Signal processing apparatus, microphone array apparatus, signal processing method, and signal processing program | |
US9210499B2 (en) | Spatial interference suppression using dual-microphone arrays | |
US10140969B2 (en) | Microphone array device | |
JP5129024B2 (en) | Audio input device and audio conference system | |
US8275147B2 (en) | Selective shaping of communication signals | |
JP5166122B2 (en) | Voice input device | |
JP2011007861A (en) | Signal processing apparatus, signal processing method and signal processing program | |
JP5115818B2 (en) | Speech signal enhancement device | |
RU2538031C2 (en) | Method for highly directional reception of sound waves | |
EP2265038A1 (en) | Microphone unit, voice input device of close-talking type, information processing system, and method for manufacturing microphone unit | |
US20140098971A1 (en) | System and Method for Directional Sound Transmission with a Linear Array of Exponentially Spaced Loudspeakers | |
US20170188157A1 (en) | Microphone with specific audible area using ultrasound wave | |
JP2010124370A (en) | Signal processing device, signal processing method, and signal processing program | |
RU2623654C1 (en) | Directional reception of sound signals in solid angle | |
WO2011105073A1 (en) | Sound processing device and sound processing method | |
US9924269B1 (en) | Filter gain compensation method for specific frequency band using difference between windowed filters | |
Fischer et al. | Adaptive microphone arrays for speech enhancement in coherent and incoherent noise fields | |
JP6031364B2 (en) | Sound collection device and playback device | |
Atkins et al. | Robust superdirective beamformer with optimal regularization | |
Hayashi et al. | Speech enhancement by non-linear beamforming tolerant to misalignment of target source direction | |
Datla | Implementation and evaluation of spectral subtraction (SS) with minimum statistics and wiener beamformer combination |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171017 |