способ передачи слушателю акустического сигнала и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ передачи слушателю акустического сигнала, включающий фильтрацию электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, и последующее преобразование электрического сигнала в акустический, отличающийся тем, что электрический сигнал предварительно нелинейно преобразуют со степенью нелинейности не ниже 4, при осуществлении фильтрации выделяют комбинационные колебания в диапазоне инфразвуковых частот и с усилением не менее чем в 2 раза преобразуют их в дополнительный к основному акустический сигнал.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический сигнал, несущий информацию об акустическом сигнале, нелинейно преобразуют совместно с этим же сигналом, задержанным не более чем на 5 с.

3. Устройство для передачи слушателю акустического сигнала, содержащее источник электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, блок фильтрации и подключенный к его выходу преобразователь электрического сигнала в акустический, отличающееся тем, что оно снабжено нелинейным преобразователем, характеристика преобразования которого описывается полиномом степени не ниже 4, при этом блок фильтрации выполнен в инфразвуковом диапазоне, выход источника сигнала подключен к входу нелинейного преобразователя, выход которого подключен к входу блока фильтрации, причем выход блока фильтрации подключен к входу преобразователя электрического сигнала в акустический через усилитель инфразвуковых колебаний с коэффициентом усиления не менее 2.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено блоком задержки электрического сигнала, вход которого соединен с выходом источника сигнала, а выход - с входом нелинейного преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано для воздействия на психофизиологическое состояние человека в процессе обучения, в арт-терапии, при исполнении музыки в концертных залах, в театральных и цирковых спектаклях, в процессе производства фильмов, при анимации изображений и т.д.

В звуках природы, например шумах моря или леса, присутствуют акустические образы, передаваемые акустическими сигналами. Характерный пример - акустический образ пространства. Акустические образы присутствуют и в музыкальных произведениях, поскольку закладываются композиторами и исполнителями. Акустический сигнал, отражающий образ пространства, в котором музыкальное произведение исполняется, также может передаваться при прослушивании.

Известен способ [1] передачи акустического сигнала.

Этот способ состоит в том, что дополнительно к исполняемому музыкальному произведению воспроизводят и передают слушателю колебания инфразвукового диапазона на частоте 17 Гц. В результате у слушателей создается чувство беспокойства, ощущение внезапного холода и состояние, о котором говорят "мурашки по коже".

В некоторых случаях, когда заложенный композитором и исполнителем акустический образ должен вызвать чувство тревоги, способ [1] позволяет усилить эмоциональную реакцию слушателя на музыкальное произведение. Однако этот способ не учитывает изменение акустического образа в процессе исполнения музыкального произведения и своеобразие этих образов для различных произведений. Поэтому для большинства музыкальных произведений использование способа [1] мешает восприятию акустического образа, заложенного в исполняемое музыкальное произведение композитором и исполнителем.

Известен способ [2] передачи акустического сигнала.

Этот способ включает фильтрацию электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, отображающем музыкальное произведение, последующее преобразование электрического сигнала в акустический с использованием динамиков и отражение акустического сигнала от поверхности, связанной с динамиками. Динамики ставят параллельно с заданным отклонением от параллельности, причем так, чтобы на выбранной частоте установилась стоячая волна в каждой паре динамик - отражающая поверхность. При этом формируют требуемую амплитудно-частотную характеристику устройства в области максимума спектра частот оптимального слухового восприятия.

Способ [2] эффективно передает акустический сигнал, характеризующий образ пространства, в котором исполняется музыка. При этом этот способ, как показали эксперименты, обеспечивает существенное усиление выразительности музыки, что приводит к повышению стресс - устойчивости мозга и к повышению скорости нервно-психических реакций.

Однако способ [2] не усиливает эмоциональную реакцию слушателей на акустические образы, заложенные в музыкальное произведение композитором и исполнителем.

Известен способ [3] передачи акустического сигнала.

Этот способ по совокупности признаков наиболее близок заявляемому и принят за прототип.

Способ состоит в том, что при передаче акустического сигнала, например, соответствующего исполняемому музыкальному произведению, дополнительно передают сигнал, несущий акустический образ пространства и заданный параметрами фильтров, имитирующих звучание музыки в виртуальном концертном зале. Далее осуществляют фильтрацию сигнала, формируя совокупный сигнал, реализующий для слушателя музыкальное произведение, исполняемое в виртуальном концертном зале.

Таким образом, способ [3] передает слушателю образ виртуального пространства.

Устройство для реализации известного способа [3] содержит (фиг.1) источник 1 электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, например, соответствующем исполняемому музыкальному произведению, генератор 7 параметров, описывающих акустический образ пространства, сумматор 8, блок 3 фильтрации и преобразователь 5 электрического сигнала в акустический.

Параметры генератора 7, описывающие акустический образ пространства (например, виртуального концертного зала), задаются в условной форме, например в форме кода.

Блок 3 фильтрации содержит параметризованные фильтры, имеющие действие на сигнал, которое зависит от параметров, относящихся к каждому фильтру, для моделирования поверхностей, виртуально существующих в виртуальном акустическом пространстве.

Выход источника 1 соединен с 1-ым входом сумматора 8.

Выход генератора 7 параметров соединен со 2-ым входом сумматора, выход которого соединен с входом блока 3 фильтрации.

Выход блока 3 фильтрации соединен с входом преобразователя 5 электрического сигнала в акустический.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с источника 1 проходит на первый вход сумматора 8. В сумматоре 8 к сигналу источника 1 добавляется сигнал акустического образа пространства, сформированный генератором 7 параметров. Этот сигнал задается в виде параметров фильтров, не воспринимаемых слушателями непосредственно. Сигнал с сумматора 8 поступает в блок 3 фильтрации. В нем сигнал декодируется, параметризованные фильтры автоматически настраиваются в соответствии с сигналом акустического образа пространства, а электрический сигнал, несущий информацию об акустическом сигнале, отображающем исполняемое музыкальное произведение, проходит через эти фильтры. Затем он поступает на вход преобразователя 5 электрического сигнала в акустический, с которого поступает непосредственно слушателю.

При использовании способа, принятого за прототип, слушателю эффективно передается акустический образ пространства, в котором исполняется музыкальное произведение. Например, способ [3] позволяет в процессе исполнения менять положение исполнителей в виртуальном зале.

Однако способ [3] не позволяет усилить эмоциональную реакцию слушателей на акустические образы, заложенные в музыку композитором и исполнителем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в усиления эмоционального воздействия на слушателя.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в выделении параметров акустических образов, заложенных композитором и исполнителем в музыкальное произведение или имеющихся в звуках природы, и формировании инфразвукового сопровождения, учитывающего биофизические закономерности восприятия звучаний слушателем, т.е. использующего объективную основу - выявление настроения, соответствующего музыкальному произведению или звукам природы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается решением, представляющим группу разнообъектных изобретений - способ и устройство для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе передачи слушателю акустического сигнала, включающем фильтрацию электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, и последующее преобразование электрического сигнала в акустический, электрический сигнал предварительно нелинейно преобразуют со степенью нелинейности не ниже 4, при осуществлении фильтрации выделяют комбинационные колебания в диапазоне инфразвуковых частот и с усилением не менее чем в 2 раза преобразуют в дополнительный к основному акустический сигнал.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что электрический сигнал, несущий информацию об акустическом сигнале, нелинейно преобразуют совместно с этим же сигналом, задержанным не более чем на 5 секунд.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что заявляемое устройство для передачи слушателю акустического сигнала, содержащее источник электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, блок фильтрации и подключенный к его выходу преобразователь электрического сигнала в акустический, снабжено нелинейным преобразователем, характеристика преобразования которого описывается полиномом степени не ниже 4, при этом блок фильтрации выполнен в инфразвуковом диапазоне, выход источника сигнала подключен к входу нелинейного преобразователя, выход которого подключен к входу блока фильтрации, причем выход блока фильтрации подключен к входу преобразователя электрического сигнала в акустический через усилитель инфразвуковых колебаний с коэффициентом усиления не менее 2.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что заявляемое устройство снабжено блоком задержки электрического сигнала, вход которого соединен с выходом источника сигнала, а выход - с входом нелинейного преобразователя.

На фиг.1. схематически изображено устройство, реализующее известный способ.

На фиг.2 схематически изображено устройство, реализующее заявляемый способ по п.1.

На фиг.3 схематически изображено устройство, реализующее заявляемый способ по п.2.

Заявляемое устройство (фиг.2) включает в себя источник 1 электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, нелинейный преобразователь 2, блок 3 фильтрации, усилитель 4, преобразователь 5 электрического сигнала в акустический.

Источник 1 имеет выход электрического сигнала и дополнительно может иметь выход акустического сигнала. На его вход может подаваться акустический сигнал. Акустический сигнал, адекватный сигналу источника 1, при любых условиях должен быть доступен слушателю.

Нелинейный преобразователь 2 имеет характеристику преобразования, которая описывается полиномом степени не ниже 4.

Блок 3 фильтрации выполняет функцию выделения колебаний в диапазоне инфразвуковых частот.

Усилитель 4 имеет коэффициент усиления не менее 2. На фиг 2 показан вариант, в котором усилитель 4 конструктивно выделен. Однако усилитель 4 аппаратно может быть совмещен с блоком фильтрации или преобразователем электрического сигнала в акустический.

Преобразователь 5 может дополнительно к преобразованию электрического сигнала в акустический выполнять и функцию усиления.

Нелинейный преобразователь 2 также может выполнять функцию усиления.

Более рационально осуществлять усиление колебаний инфразвуковых частот, т.е. в усилителе 4, на выходе блока 3 фильтрации или в преобразователе 2, усиливая уровень инфразвуковых колебаний относительно основного сигнала.

Выход источника 1 подключен к входу нелинейного преобразователя 2, выход нелинейного преобразователя 2 присоединен к входу блока 3 фильтрации, причем выход блока 3 фильтрации подключен к входу преобразователя 5 электрического сигнала в акустический через усилитель 4.

Источник 1 может быть выполнен, например, в виде микрофона (при этом акустический сигнал может быть доступен слушателю непосредственно от исполнителя). Источник 1 может дополнительно содержать собственный преобразователь электрического сигнала в акустический, т.е. в качестве источника 1 может быть использован CD-, DVD-проигрыватель или магнитофон.

Нелинейный преобразователь 2, блок 3 фильтрации, усилитель 4 могут быть выполнены в виде аналоговых устройств. Например, нелинейный преобразователь 2 может быть выполнен в виде усилителя, у которого зависимость выходного сигнала от входного описывается полиномом, по крайней мере, 4-ой степени. Возможно выполнение нелинейного преобразователя, блока фильтрации и усилителя в виде цифровых устройств, например, на основе контроллера с использованием, при необходимости, аналого-цифрового или цифроаналогового преобразователя. Названные блоки могут быть реализованы непосредственно в компьютере [4].

Преобразователь электрического сигнала в акустический может быть выполнен с помощью специальных динамиков или труб [5] при передаче сигнала через воздух, магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователей - для передачи сигналов через более плотные среды (подобно, например, "ощущалкам", описанным в романе О.Хаксли "О, этот дивный новый мир").

Заявляемый способ в простейшем варианте реализуется следующим образом.

Акустический сигнал, отображающий исполняемое музыкальное произведение или звуки природы, передается непосредственно слушателю.

Электрический сигнал с источника 1, несущий информацию об акустическом сигнале, проходит на вход нелинейного преобразователя 2, а затем на вход блока 3 фильтрации.

Блок 3 фильтрации осуществляет выделение колебаний в диапазоне инфразвуковых частот из сигнала, полученного после нелинейного преобразования. Для некоторых вариантов исполнения фильтрация осуществляется с разделением колебаний по поддиапазонам, для простейшего варианта - без такого разделения.

После фильтрации сигнал поступает на вход преобразователя 5 электрического сигнала в акустический через усилитель 4.

Нелинейное преобразование электрического сигнала источника 1 при использовании заявляемого способа осуществляют аналогично тому, как это выполняется в системе "ухо-мозг".

Как показано в [6, 7], система "ухо-мозг" человека представляет собой нелинейный преобразователь акустического сигнала. Звуки природы, музыкальные произведения и иные акустические сигналы сопровождаются формированием в мозгу человека комбинационных колебаний в инфразвуковой области частот. В средней части звукоряда при взаимодействии, по крайней мере, трех нот тонического трезвучия максимальный уровень инфразвуковых комбинационных колебаний соответствует порядку колебаний, равному 4. При взаимодействии двух нот, принадлежащих тонической терции, образуются инфразвуковые комбинационные колебания 9-го порядка. Из этого следует, что степень нелинейности системы "ухо-мозг" не менее 4.

Пусть звук представляет собой аккорд из трех нот одинаковой интенсивности. При этом электрический сигнал, несущий информацию об акустическом сигнале, если не учитывать обертоны, может быть упрощенно описан следующим образом:

где U - напряжение суммарного электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале,

а - амплитуда сигнала, несущего информацию об одной ноте,

₁, ₂, ₃ - круговая частота каждого из трех сигналов, несущих информацию о трех нотах, соответственно,

t - время.

Результат нелинейного преобразования со степенью нелинейности 4 представляет собой следующее выражение:

После нелинейного преобразования формируется совокупность колебаний комбинационных частот, включающих 4 ₁, 4 ₂, 4 ₃, , , и т.д.

Биофизической предпосылкой особенностей эмоционального влияния акустического сигнала, согласно [6, 7], является восприятие мозгом тех из перечисленных комбинационных колебаний, у которых частоты лежат в диапазоне инфразвука, т.е. ниже, примерно, 14 Гц.

Параметры инфразвуковых колебаний, воспринятых мозгом, в частности частота, уровень и характер изменения, определяют возникающее эмоциональное состояние человека.

Уровень комбинационных колебаний определяется их порядком, который равен сумме номеров гармоник, участвующих в их формировании. В общем случае чем больше порядок, тем меньше уровень.

Эти колебания возникают при восприятии различных акустических сигналов, в том числе, звуков природы и музыкальных произведений, включая функциональную ("тональную") и атональную музыку.

Например, в [6, 7] показано, что отличию в эмоциональном восприятии мажорного и минорного лада соответствует разница в спектре комбинационных колебаний мажорных и минорных терций и трезвучий: для мажорной (бодрящей) музыки характерен значительно больший уровень, т.е., меньший порядок (р 9 для терций, р 4 для трезвучий) инфразвуковых комбинационных колебаний, чем для минорной, сравнительно более грустной (р 11 для терций и р 5 для трезвучий).

Поэтому, выделяя с помощью простейшего варианта исполнения блока 3 фильтрации возникшие после нелинейного преобразования электрического сигнала колебания в диапазоне инфразвуковых частот и передавая слушателю с усилением этот сигнал, несущий акустический образ, заложенный в музыкальное произведение композитором и исполнителем, можно сделать более заметным отличие мажорной музыки от минорной. Такой способ передачи акустического сигнала основан на объективных закономерностях восприятия музыки человеком и способствует повышению эмоционального воздействия музыки.

При разделении колебаний в инфразвуковом диапазоне частот по поддиапазонам устройство дает возможность учесть нюансы того настроения, которое несет музыка (как функциональная, так и атональная), и позволяет усилить эмоциональное воздействие акустического образа, заложенного композитором и исполнителем.

Дело в том, что, как показано в [7], параметры инфразвуковых колебаний, возникающих при пропускании акустического сигнала в виде аккордов, построенных в различных тональностях, через нелинейную систему, существенно отличаются друг от друга.

Например, мажорные тональности "ре b (до#)" мажор и "соль b (фа#)" используются, как правило, в музыкальных произведениях спокойного (созерцательного) характера, в отличие от других, более бодрящих тональностей. Для тонических терций и трезвучий этих тональностей характерна более низкая частота комбинационных колебаний инфразвукового диапазона по сравнению с другими тональностями мажора.

Среди минорных тональностей отличаются тональности "соль # минор" и "ре # (ми b) минор". Они известны как создающие менее грустное настроение, чем другие минорные тональности. Для их тонических трезвучий порядок инфразвуковых компонентов (р=5) ниже (уровень выше), чем для остальных тональностей минора.

Вторая группа - тональности "фа минор" и "си b минор" - характеризуется тем, что порядок инфразвуковых компонентов (р=9) их трезвучий намного выше, чем для других тональностей. Соответственно, уровень этих компонентов намного ниже. Произведения в тональностях "фа минор" и "си b минор", тонические трезвучия которых вызывают инфразвуковые колебания лишь очень низкого уровня, обычно воспринимаются как особенно печальные.

В третьей группе, куда входят все остальные тональности минора, порядок инфразвуковых колебаний равен 6. Хотя их параметры существенно отличаются от параметров мажорных тональностей, друг от друга они по выбранным параметрам отличаются меньше. Однако для них также могут быть выделены отличия комбинационных колебаний по частоте, а также более тонкие отличия по уровням.

При моделировании атональной музыки также могут быть выделены комбинационные колебания в диапазоне инфразвуковых частот.

Коэффициент усиления по тракту должен быть не менее 2, он должен быть достаточным, чтобы обеспечивать требуемое эмоциональное воздействие музыки или звуков природы. Коэффициент усиления реализуется с помощью усилителя 4; нелинейный преобразователь 2, блок 3 фильтрации, преобразователь 5 электрического в акустический также могут осуществлять функцию усиления. Максимальное значение коэффициента усиления обусловлено, с одной стороны, требуемым эмоциональным воздействием, а с другой стороны - физиологическими ограничениями, касающимися воздействия инфразвука на человека.

Таким образом, акустические сигналы - звуки природы, музыкальные произведения и т.д. - характеризуются некими объективными параметрами, задающими вид и степень эмоционального воздействия. К ним относятся статические параметры инфразвуковых колебаний (амплитуда, частота, фаза), возникающих в нелинейном преобразователе "ухо-мозг", а также соответствующие динамические параметры.

Заявляемое устройство реализует заявляемый способ передачи слушателю акустического сигнала, включающий фильтрацию электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, и последующее преобразование электрического сигнала в акустический, при котором электрический сигнал предварительно нелинейно преобразуют со степенью нелинейности не ниже 4, при осуществлении фильтрации выделяют комбинационные колебания в диапазоне инфразвуковых частот и с усилением не менее чем в 2 раза преобразуют в дополнительный к основному акустический сигнал.

При этом параметры инфразвуковых колебаний объективно связаны с эмоциями, которые несет акустическое воздействие.

Как известно, человек воспринимает эмоциональное влияние акустических сигналов как при одновременном, так и при последовательном звучании. Мажорное трезвучие легко распознается и при воспроизведении в виде арпеджио.

Для случая, когда звуки воспроизводятся не одновременно (в виде аккорда), а последовательно, заявляемое устройство показано на фиг.3.

Для усиления эмоционального воздействия акустических образов, связанных с передаваемыми звуками природы или музыкальными произведениями, заявляемое устройство дополнительно снабжено блоком 6 задержки электрического сигнала. Вход блока задержки соединен с выходом электрического сигнала источника 1, а выход - с входом нелинейного преобразователя 2.

Электрический сигнал с выхода источника 1 проходит на вход блока 6 задержки, а также на вход нелинейного преобразователя 2.

Сигнал с выхода блока 6 задержки также поступает на вход нелинейного преобразователя 2.

Блок задержки реализует временное запаздывание выходного сигнала относительно входного на время не более 5 с.

Дело в том, что, как показано в [7], для системы "ухо-мозг" характерна инерционность. Время задержки должно быть не более 5 с. Эта граница приблизительно соответствует тому максимальному времени, в течение которого мозг человека может совместно анализировать звуки, услышанные последовательно. В противном случае звук, услышанный первым, забывается.

После прохождения электрического сигнала, несущего информацию об акустическом сигнале, связанном с звуками природы или исполняемым музыкальным произведением, через блок 6 задержки на нелинейный преобразователь 2 поступает сигнал, содержащий колебания нескольких частот. Дальнейшая работа устройства аналогична описанному выше.

Заявляемое устройство в этом случае реализует заявляемый способ передачи слушателю акустического сигнала, заключающийся в том, что электрический сигнал, несущий информацию об акустическом сигнале, нелинейно преобразуют совместно с этим же сигналом, задержанным не более чем на 5 секунд.

Заявляемое устройство может быть выполнено на следующих элементах.

Блок фильтрации может быть выполнен на полосовых фильтрах или фильтрах нижних частот. Нелинейный преобразователь, блок фильтрации и блок задержки чаще всего выполняются в виде аналоговых устройств. Возможно выполнение нелинейного преобразователя, блока фильтрации и блока задержки в виде цифровых устройств, например, на основе контроллера с использованием, при необходимости, аналого-цифрового или цифроаналогового преобразователя. Названные блоки могут быть реализованы непосредственно в компьютере [4].

Преобразователь электрического сигнала в акустический может быть выполнен с помощью специальных динамиков или труб [5] при передаче сигнала через воздух, магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователей для передачи сигналов через более плотные среды.

Заявляемый способ передачи слушателю акустического сигнала и устройство для его осуществления моделируют выявленные авторами закономерности формирования эмоциональной реакции человека при воздействии акустических сигналов на систему "ухо-мозг" и, как следствие, обеспечивают качественно более мощное эмоциональное воздействие.

Таким образом, приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, а также достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Литература

1. http://emigration.russie.ni/news/3/2160_1.html

2. Ким Су Ин, Башкин В.М., Негодайлов А.Н. и др. Способ озвучивания помещений/ RU 2127495 С1, кл. H 04 R 5/01, 10.03.1999.

3. Хуопаниеми Йюри. Способ и система для передачи характеристик виртуального акустического окружающего пространства/ RU 2234819 С2, кл. G 10 K 15/08, 20.08.2004.

4. В.Гадзиковский. Цифровые модели основных нелинейных преобразований полосовых сигналов в радиоприемных устройствах/ Проблемы приборостроения, 2003, №1, стр.68-80.

5. Bergit Arends, Davina Thackara. Experiment: Conversations in Art and Science. http://www.amazon.co.uk/exec/obidos/ASIN/1841290432/instituteofid-21/202-8170461-2495811.

6. K.B.Сапожникова, Р.Е.Тайманов. Биофизические предпосылки создания измерительной модели восприятия структурных элементов музыки // Труды Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики" (г. Новочеркасск), 2001, с.59-65.

7. Sapozhnikova К., Taymanov R. About a measuring model of emotional perception of music// Proc. of the XVII IMEKO World Congress, 2003, Dubrovnik, Croatia, p.p.2049-2053.