СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к области акустики, а именно к способам получения звуковых сигналов.

Известен способ формирования звуковых сигналов и устройство для его реализации, описанные в а.з. Японии N 63-21918, заявл. 10.07.1980 г., опубл. 10.05.1988 г. по кл. G 10 K 15/04 "Генератор акустических сигналов", являющийся аналогом заявляемого способа и устройства для его реализации.

Известный способ, описанный в работе данного устройства, заключается в формировании сигнала звуковой частоты импульсами, длительность которых намного короче периода этого сигнала, а также изменении скважности этих импульсов на основании акустического давления. Известное устройство, реализующее способ, выполнено в виде генератора акустических сигналов, содержащего модулятор сигнала звуковой частоты импульсами, период которых намного короче периода этого сигнала, а также схему, изменяющую скважность этих импульсов на основании акустического давления.

Недостатком данного способа и устройства для его реализации является большое энергопотребление за счет нагревания звуковой катушки при длительном воздействии на нее электрического сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является изобретение, описанное в выложенной заявке ФРГ №3740000, заявл. 26.11.1986 г., опубл. 09.06.1988 г. по кл. G 10 К 7/00 "Электронная сирена".

Известный способ, описанный в работе данного устройства, заключается в том, что микроЭВМ вырабатывает цифровые сигналы, необходимые для производства сирены, и выдает эти сигналы для преобразования в цифроаналоговом преобразователе. Далее сигнал поступает на усилитель, на выходе которого формируют электрический сигнал для громкоговорителя. Недостатком данного изобретения является большое энергопотребление за счет нагревания звуковой катушки при длительном воздействии на нее электрического сигнала.

Целью вариантов изобретения является уменьшение энергопотребления за счет снижения тепловой нагрузки на электродинамическом преобразователе, т.е. повышение звукового давления при одной и той же потребляемой мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе формирования звукового сигнала, заключающемся в формировании цифрового сигнала, необходимого для производства сирены, преобразовании этого цифрового сигнала в аналоговый, который формирует звуковой сигнал, согласно изобретению, цифровой сигнал формируют в виде двух последовательностей прямоугольных импульсов с постоянным периодом следования (Т), сдвинутых друг относительно друга на Т/2 и состоящих, по крайней мере, из двух импульсов, суммируют их поразрядно, образуя последовательность разнополярных коротких импульсов, длительность которых выбирают по максимальному акустическому давлению.

Поставленная цель достигается тем, что в альтернативном варианте способа формирования звукового сигнала, заключающемся в формировании цифрового сигнала, необходимого для производства сирены, преобразовании этого цифрового сигнала в звуковой, согласно изобретению, цифровой сигнал формируют в виде двух последовательностей прямоугольных импульсов с изменяющимся периодом следования (Т), сдвинутых друг относительно друга на Т/2 и состоящих, по крайней мере, из двух импульсов, суммируют их поразрядно, образуя последовательность разнополярных коротких импульсов, длительность которых выбирают по максимальному акустическому давлению.

Формирование звукового сигнала позволяет создать монотонный или специальный звуковой сигнал при экономичном режиме энергопотребления, т.е. создать "щадящий" режим работы электродинамического преобразователя, а именно, формируя последовательность разнополярных коротких импульсов, длительность которых выбрана по максимальному акустическому давлению, достигают того, что в моменты действия коротких импульсов (tи) происходит максимальное колебание мембраны электродинамического преобразователя, а в моменты времени между короткими импульсами (tп), мембрана переходит из крайнего положения в среднее и не создает акустического давления. При этом электрическая мощность не подводится к звуковой катушке электродинамического преобразователя и происходит уменьшение потребляемой мощности при одном и том же создаваемом звуковом давлении. Уменьшая время воздействия мощности, достигают того, что часть времени в течение периода следования импульсов (Т) напряжение на электродинамическом преобразователе отсутствует, следовательно, не происходит тепловыделения на звуковой катушке электродинамического преобразователя и на выходных транзисторах усилителя мощности, что позволяет снизить тепловую нагрузку на конструкцию электродинамического преобразователя и на выходные транзисторы усилителя мощности. При этом движение мембраны происходит кратковременно. Следовательно, появляется возможность поднять амплитуду входного сигнала и тем самым поднять звуковое давление, т.е. повысить коэффициент полезного действия заявляемого способа и создать экономный режим энергопотребления.

Кроме того, формирование звукового сигнала с помощью последовательности коротких импульсов позволяет получать более плотный спектр звукового сигнала. Добавляя гармоники в области высоких частот, достигают усиления звукового сигнала в этой области и, следовательно, увеличения звукового давления на расстоянии нескольких десятков метров от громкоговорителя.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для реализации способа, состоящем из импульсного генератора и последовательно соединенных усилителя мощности и громкоговорителя, содержащего электродинамический преобразователь, согласно изобретению, импульсный генератор выполнен в виде генератора с постоянным периодом следования прямоугольных импульсов или генератора с изменяющимся периодом следования прямоугольных импульсов, и устройство снабжено двумя сдвиговыми регистрами, входы которых соединены с выходом импульсного генератора, а выходы подсоединены на соответствующие входы сумматора, выход которого соединен с входом усилителя мощности.

Выполнение импульсного генератора в виде генератора с постоянным периодом следования прямоугольных импульсов позволяет формировать монотонный звуковой сигнал, а выполнение импульсного генератора в виде генератора с изменяющимся периодом следования прямоугольных импульсов позволяет формировать специальный звуковой сигнал (сирену). Введение двух сдвиговых регистров и сумматора, соединенных как указано выше, позволяет сдвигать две последовательности прямоугольных импульсов друг относительно друга на Т/2, сформировать две последовательности чередующихся импульсов, образовать последовательность разнополярных коротких импульсов и создать "щадящий" режим работы электродинамического преобразователя:

- в моменты действия короткого импульса (tи) происходит максимальное колебание мембраны электродинамического преобразователя;

- в моменты времени между короткими импульсами (tп), мембрана переходит из крайнего положения в среднее и не создает акустического давления.

При этом электрическая мощность не подводится к звуковой катушке электродинамического преобразователя и происходит уменьшение потребляемой мощности при одном и том же создаваемом звуковом давлении.

Уменьшая время воздействия мощности, достигают того, что часть времени в течение периода следования импульса напряжение на электродинамическом преобразовании отсутствует, следовательно, не происходит тепловыделения на выходных транзисторах усилителя мощности и на звуковой катушке электродинамического преобразователя, что позволяет снизить тепловую нагрузку на конструкцию электродинамического преобразователя. При этом движение мембраны происходит кратковременно.

Следовательно, появляется возможность поднять амплитуду входного сигнала и тем самым поднять звуковое давление, т.е. повысить коэффициент полезного действия заявляемого способа и создать экономный режим энергопотребления.

Таким образом, заявляемый способ формирования звукового сигнала и устройство для его реализации отличаются от прототипа новыми признаками, обеспечивающими промышленную применяемость, и соответствуют критериям изобретения "новизна" и "промышленная применимость".

В результате проведенного поиска по патентной и научно-технической литературе не были выявлены технические решения, обладающие аналогичной совокупностью существенных признаков и дающие такой же эффект.

Следовательно, предлагаемые изобретения соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Изобретение иллюстрируется чертежами, где:

На фиг.1 приведены временные диаграммы, поясняющие способ формирования звукового сигнала, а именно:

а) временная диаграмма напряжения запуска генератора 1 с постоянным периодом следования прямоугольных импульсов;

б) временная диаграмма напряжения на выходе генератора 1 с постоянным периодом следования прямоугольных импульсов, где T₁=T₂=T;

в) временная диаграмма напряжения на выходе сдвигового регистра 4;

г) временная диаграмма напряжения на выходе сдвигового регистра 5;

д) временная диаграмма напряжения на выходе сумматора 6;

е) временная диаграмма напряжения на выходе усилителя 2 мощности;

ж) временная диаграмма смещения (ΔS) мембраны громкоговорителя 3.

На фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие альтернативный вариант способа формирования звукового сигнала:

а) временная диаграмма напряжения запуска генератора 1 с изменяющимся периодом следования прямоугольных импульсов;

б) временная диаграмма напряжения на выходе генератора 1 с изменяющимся периодом следования импульсов, например, T₁>Т₂>Т₃;

в) временная диаграмма напряжения на выходе сдвигового регистра 4;

г) временная диаграмма напряжения на выходе сдвигового регистра 5;

д) временная диаграмма напряжения на выходе сумматора 6;

е) временная диаграмма напряжения на выходе усилителя 2 мощности;

ж) временная диаграмма смещения (ΔS) мембраны громкоговорителя 3.

На фиг.3 приведена блок-схема устройства, реализующего способ.

Способ формирования звукового сигнала заключается в том, что внешним воздействием формируют запускающий импульс (см. фиг.1а). С приходом запускающего импульса формируют 8 тактовых импульсов в виде последовательности прямоугольных импульсов (см. фиг.1б). Преобразуют эту последовательность прямоугольных импульсов в цифровой сигнал в виде двух последовательностей прямоугольных импульсов (см. фиг.1 в, фиг.1 г) с постоянным периодом следования (T₁=T₂=T), сдвинутых друг относительно друга на Т/2 и состоящих, по крайней мере, из двух импульсов, суммируют их поразрядно (см. фиг.1д), образуя последовательность разнополярных коротких импульсов, длительность которых выбирают по максимальному акустическому давлению, после чего преобразуют полученный цифровой сигнал в аналоговый (см. фиг.1е), который формирует монотонный звуковой сигнал посредством колебаний мембраны (см. фиг.1ж).

Способ формирования звукового сигнала, согласно альтернативного варианта, заключается в том, что внешним воздействием формируют запускающий импульс (см. фиг.2а). С приходом запускающего импульса формируют 8 тактовых импульсов в виде последовательности прямоугольных импульсов (см. фиг.2б). Преобразуют эту последовательность прямоугольных импульсов в цифровой сигнал в виде двух последовательностей прямоугольных импульсов (см. фиг.2в, фиг.2г) с изменяющимся периодом следования (Т), например, (Т₁>Т₂>Т₃), сдвинутых друг относительно друга соответственно на T₁/2, T₂/2, Т₃/2, суммируют их поразрядно (см.фиг.2д), образуя последовательность разнополярных коротких импульсов, длительность которых выбирают по максимальному акустическому давлению, после чего преобразуют полученный цифровой сигнал в аналоговый (см. фиг.2е), который формирует специальный звуковой сигнал посредством колебаний мембраны (см. фиг.2ж).

Устройство для реализации способа (см. фиг.3) состоит из импульсного генератора 1 и последовательно соединенных усилителя 2 мощности и громкоговорителя 3, содержащего электродинамический преобразователь, причем импульсный генератор 1 выполнен в виде генератора с постоянным периодом следования прямоугольных импульсов или генератора с изменяющимся периодом следования прямоугольных импульсов, кроме того, снабжено двумя сдвиговыми регистрами 4, 5, входы которых соединены с выходом импульсного генератора 1, а выходы подсоединены на соответствующие входы сумматора 6, выход которого соединен с входом усилителя 2 мощности.

Назначение и выполнение узлов и блоков следующее.

Импульсный генератор 1 служит для формирования цифрового сигнала, используемого для генерации звукового сигнала с заданными параметрами. Импульсный генератор 1 выполнен программно в микропроцессоре в виде генератора 1 с постоянным периодом следования импульсов или в виде генератора 1 с изменяющимся периодом следования импульсов.

Усилитель 2 мощности - оконечный каскад, отдающий в выходную цепь заданную мощность полезного сигнала. Усилитель 2 мощности служит для преобразования цифрового сигнала в аналоговый и выполнен как операционный усилитель, собранный по мостовой схеме, на выходе которой подключены два полевых транзистора и выходной трансформатор.

Громкоговоритель 3 служит для преобразования электрической мощности звуковой частоты в звуковой сигнал. Громкоговоритель 3 содержит электродинамический преобразователь, в котором ток звуковой частоты, протекающий через звуковую катушку, преобразуют в колебания мембраны.

Сдвиговые регистры 4, 5 служат для хранения чисел с двоичным представлением цифр разрядов в течение некоторого промежутка времени. Для запоминания двоичных разрядов числа применяют триггеры. Количество триггеров соответствует количеству разрядов числа. Сдвиговые регистры 4, 5 выполнены в виде 8 разрядных сдвиговых регистров 4, 5.

Сумматор 6 служит для арифметического сложения двух импульсов и выполнен на триггерах. Сумматор 6 формирует сигнал требуемой формы и имеет три устойчивых состояния.

Устройство формирования звукового сигнала работает следующим образом.

В исходном состоянии звуковой сигнал отсутствует. При нажатии кнопки на панели управления устройством оператор формирует запускающий импульс, который поступает на вход импульсного генератора 1 (см.фиг.1а).

С приходом запускающего импульса генератор 1 формирует 8 тактовых импульсов в виде последовательности прямоугольных импульсов (см. фиг.1б) с постоянным периодом следования Т₁=T₂=Т.

Согласно альтернативному варианту изобретения, с приходом запускающего импульса генератор 1 формирует 8 тактовых импульсов в виде последовательности прямоугольных импульсов (см. фиг.2б) с изменяющимся периодом следования, например, T₁>Т₂>Т₃. Изменения периода следования тактовых импульсов задают генератором 1.

Далее работа устройства формирования звукового сигнала происходит аналогично для обоих вариантов.

Сформированная последовательность импульсов из восьми тактовых импульсов поступает одновременно на входы сдвиговых регистров 4, 5 (см. фиг.3). По приходу тактового импульса в сдвиговом регистре 4 происходит запись сигнала по переднему фронту тактового импульса, при этом каждый последующий импульс последовательно сдвигает код числа на один разряд и до прихода следующего импульса это число хранится в сдвиговом регистре 4 в виде кода на его выходе (см. фиг.1в, 2в). По приходу тактового импульса в сдвиговом регистре 5 происходит сдвиг последовательности импульсов на Т/2, где Т - период цифрового сигнала (см. фиг.1г, 2г) по отношению к выходному импульсу сдвигового регистра 4. С выходов сдвиговых регистров 4, 5 информация поступает соответственно на прямой и инверсный входы сумматора 6. При поступлении в сумматор 6 кода первого числа с выхода сдвигового регистра 4 цепочка триггеров запоминает его. При поступлении в сумматор 6 кода второго числа с выхода сдвигового регистра 5 происходит их поразрядное сложение. Если в каком-либо разряде обоих слагаемых стоит единица, то соответствующий триггер устанавливается в положение нуль и образуется сигнал переноса, который через линию задержки передается в старший разряд. На выходе сумматора 6 получают последовательность коротких импульсов, длительность которых выбирают по максимальному акустическому давлению (см. фиг.1.д, 2д). Эту последовательность импульсов подают на вход усилителя 2 мощности, оконечный каскад которого имеет два канала, один из которых инвертирует выходной сигнал. В результате на выходе усилителя 2 мощности формируют разнополярную последовательность импульсных сигналов (см. фиг.1е, 2е), которая поступает в выходную цепь усилителя 2 мощности - громкоговоритель 3. В громкоговорителе 3, содержащем электродинамический преобразователь, ток звуковой частоты, протекающий через звуковую катушку электродинамического преобразователя, преобразуют в колебания мембраны (см. фиг.1ж, 2ж), т.е. в моменты действия коротких импульсов (tи) (см.фиг.1е) или (tи₁, tи₂, tи₃) (см. фиг.2е) происходит максимальное колебание мембраны, а в моменты времени между короткими импульсами tп (см. фиг.1e), или (tп₁, tп₂, tп₃) (см. фиг.2е), мембрана переходит из крайнего положения в среднее и не создает акустического давления.

При повторном нажатии кнопки на панели управления устройством оператор формирует отключающий импульс для генератора 1, возвращая заявляемое устройство в исходное состояние.

Для повторения цикла работы устройства оператору необходимо повторно нажать кнопку на панели управления устройством.

Существенные признаки предлагаемого способа формирования звукового сигнала и устройства для его реализации по сравнению с прототипом позволяют уменьшить энергопотребление.