Технические науки/8. Электротехника и радиоэлектроника

Д.т.н. Галиев А.Л., к.п.н. Галиева Р.Г., асс. Шишкина А.Ф.

Стерлитамакская государственная педагогическая академия, Россия

Концептуальные вопросы обеспечения устойчивости

электроакустических систем

Структурно электроакустическую систему можно представить как систему с запаздывающей обратной связью, где цепь обратной связи помимо элементов усилительного тракта с коэффициентом передачи b₀ содержит среду распространения звуковых волн с коэффициентом передачи b_сk, задерживающую сигналы на отрезок времени t_k. Положим, что коэффициент усиления усилителя К₀ не зависит от частоты, тогда петлевой коэффициент усиления системы

, (1)

где b_k (w) =b_{с k} × b₀, b₀ = U_MK /U_T; U_MK - действующее напряжение на выходе микрофона М, вызванное звуковыми колебаниями мембраны телефона Т при действующем значении напряжения U_T на выходе усилителя.

Из (1) априорно следует, что всегда "найдутся" такая частота w_k и отрезок времени задержки t_k, для которых будет выполняться условие, обеспечивающее баланс фаз. Следовательно, для устойчивой работы электроакустической системы необходимо выполнение условия нарушения баланса амплитуд, т.е. b_k (w)×К(w_k)<1. Если учесть, что значение b_k(w) можно уменьшить только за счет b_{С k}, что не всегда выполнимо, то единственным фактором, позволяющим реализовать устойчивость системы является уменьшение коэффициента усиления усилителя системы. Чрезмерное уменьшение К(w_k) приводит к уменьшению выходной мощности усилителя и его КПД. Оптимальное значение К(w_k) простыми способами определить не удается, так как оно меняется в зависимости от условий эксплуатации, конструктивных изменений, изменения напряжения питания системы с течением времени и т.д. Трудность установки оптимального К(w_k) вызвана также отсутствием электроакустических пороговых устройств, чувствительных к признакам начала процесса самовозбуждения рассматриваемых систем.

Исследования амплитудно-частотной структуры речевого сигнала позволили сформулировать частные критерии устойчивости, устанавливающие признаки начала процесса самовозбуждения электроакустических систем, ориентированных на усиление и воспроизведение речевых сигналов [1, 2].

1. Система устойчива в данном интервале времени, если на частотах, соответствующих активным пучностям, не выполняется условие баланса амплитуд, т.е. b_k (w)×К(w_k)<1.

2. Система устойчива в данном интервале времени, если в спектре сигнала отсутствуют частоты, соответствующие активным пучностям.

3. Система устойчива в данном интервале времени, если на выходе усилительного тракта огибающая речевого сигнала содержит переменную составляющую, т.е. если в пределах слогового отрезка времени Dt_сл найдутся хотя бы две точки для которых du_до /dt ¹ 0 (u_до - напряжение на выходе детектора огибающей).

4. Система устойчива в данном интервале времени, если в пределах слогового отрезка времени Dt_сл частоты речевого сигнала в тракте усиления отличаются на df, т.е.

,

где f_к, f_н - частоты сигнала в конце и начале отрезка времени Dt_сл, D - допустимая (абсолютная) погрешность измерения частоты.

Действительно, самовозбуждение неустойчивой электроакустической системы всегда сопровождается генерацией гармонического (или почти гармонического) сигнала определенной частоты (df=0), амплитуда которого со временем стабилизируется и, в дальнейшем остается постоянной (du_до /dt =0). Следовательно, если система неустойчива, то даже в пределах сколь угодно длительного слогового отрезка времени не будут выполняться условия выше сформулированных критериев.

Для выполнения условия первого критерия необходимо уменьшать коэффициент петлевой акустической обратной связи b_k(w), т.к. уменьшение коэффициента усиления усилителя не всегда приемлемо. В локальных электроакустических системах уменьшение b_k(w) может быть реализовано путем акустической изоляции микрофона от звукоизлучателя. Этот способ уменьшения b_k(w) имеет определенные недостатки, так как во время установления ушных вкладышей в ушную раковину акустическая изоляция нарушается и аппарат подвергается самовозбуждению. Другой способ уменьшения b_k(w) требует пространственного разнесения микрофона от звукоизлучателя, например, в слуховых аппаратах карманного типа микрофон расположен на расстоянии не менее 30-40 см от звукоизлучателя, вследствие чего в таких аппаратах устойчивое усиление по звуковому давлению достигается до 120 - 130 дБ. Недостатком таких аппаратов является обязательное наличие соединительных проводов, что вызывает определенные неудобства у пользователей.

Современная технология микроэлектронных изделий позволяет создать радиоэлектронные аппараты индивидуального пользования с сенсорным управлением с использованием высокоэкономичных элементов автоматики. В связи с этим привлекательным является метод ослабления
акустической обратной связи путем пространственного разнесения микрофона от звукоизлучателя с использованием радиоканала [6].

Условия второго критерия могут быть реализованы с использованием принципов организации компандеров и транспозитора спектра речевых сигналов, применяемых в каналах радиосвязи для сокращения ширины спектра передаваемого сообщения.

В узкополосных каналах связи на передающем конце часть спектра сигнала «срезается» с помощью ФНЧ, а на приемной стороне восстанавливается эта часть спектра с помощью генератора высших гармонических - транспозитора спектра. Введение в тракт усиления заградительных фильтров (с целью устранения самовозбуждения), при соответствующем увеличении выигрыша по усилению речевого сигнала, приводит к смещению частоты сигнала паразитной генерации в область более низких или более высоких частот.

Практика эксплуатации внутриушных и заушных слуховых аппаратов, а также исследования, проведенные авторами показывают, что в локальных электроакустических системах самовозбуждение возникает на частотах 1,5 - 2,5 кГц. Если "вырезать" из спектра речевого сигнала полосу частот 1000 - 2500 Гц (без последующего восстановления в конечном продукте этих частот) ощутимо ухудшается разборчивость речевого сигнала.

Речевой тракт в первом приближении представляет собой совокупность резонаторов, резонансные частоты и декременты затухания которых изменяются в процессе речи, гармоники основного тона образуют форманты, формирующие речевой сигнал. Распределение частот формант и их число определяются качеством и источником сигнала. Для формирования разборчивого речевого сигнала достаточно участие трех формант. Согласно [3, 4, 5] диапазон первой форманты ограничен частотами 200 - 850 Гц, второй форманты - 850 ¸2300 Гц и третьей форманты - 2100 ¸ 3000 Гц.

При сжатии частотного диапазона речевого сигнала до 1200 Гц слоговая разборчивость падает до 30 - 40 %. Путем добавления высших гармоник, полученных транспонированием спектра основного тона, можно достичь значения разборчивости 70 - 80 %. Учитывая то, что сужение спектра речевого сигнал в тракте усиления локальной электроакустической системы осуществляется с целью ослабления акустической паразитной обратной связи, можно частично или полностью сохранить третью форманту, что способствует дополнительному повышению разборчивости речевого сигнала.

По условию второго критерия на входе системы, с помощью фильтров нижних и верхних частот "вырезается" полоса спектра речевого сигнала, где наблюдается наибольшая неустойчивость электроакустической системы, а на выходе этот пробел "заполняется" высшими гармоническими составляющими основного тона, вырабатываемыми транспозитором спектра. Восстановление исходного спектра сигнала, т.е. сложение спектров формант, происходит в линейном сумматоре.

Условия реализации третьего и четвертого критериев очевидны из условий самих определений.

Литература:

1. Галиев А. Л. Об ослаблении акустической обратной связи методом транспонирования спектра сигнала // Датчики системы. 2001. № 10, С51-55.

2. Галиев А.Л. Цифровой анализатор частоты для локальных электроакустических систем // Приборы и системы. 2001. № 4, С. 58-61.

3. Бухвинер В. Е. Управляемое компандирование речевых сигналов. -М.: Связь. 1978. 198 с.

4. Пирогов А.А. Гармоническая система сжатия спектров речи
// Электросвязь. 1969, № 3, С.8-17.

5. Пирогов А. А. Синтезируемая телефония. - М.: Связьиздат. 1963. 189 с.

6. Галиев А. Л. Ослабление акустической обратной связи путем пространственного разнесения звукоизлучателя и микрофонного тракта // Труды Стерлитамакского филиала Академии наук Республики Башкортостан: серия «Физико-математические и технические науки», выпуск 2. Уфа, Издательство «Гилем». 2001. С. 240-243.