2.2. Направленные микрофоны
Направленныу микрофоны предназначены прежде всего для акустического контроля источников звуков на открытом воздухе. В таких ситуациях решающим фактором оказывается удаленность источника звука от направленного микрофона, что приводит к значительному ослаблению уровня контролируемого звукового поля (кроме того, при большой дистанции становится заметным ослабление звука из-за разрушения пространственной когерентности поля, вследствие наличия естественных рассеивателей энергии, например средне- и крупномасштабных турбулентностей атмосферы, создающих помехи при ветре) [7].
Так, на дистанции 100 м давление звука ослабляется на величину не менее 40 дБ (по сравнению с дистанцией 1 м), и тогда степень громкости обычного разговора в 60 дБ окажется в точке приема не более 20 дБ. Такое давление существенно меньше не только уровня реальных внешних акустических помех, но и пороговой акустической чувствительности обычных микрофонов.
В отличие от обычных, направленные микрофоны должны иметь [7]:
Высокую пороговую акустическую чувствительность, чтобы ослабленный звуковой сигнал превышал уровень собственных (в основном тепловых) шумов приемника. Даже при отсутствии внешних акустических помех это является необходимым условием контроля звука на значительном расстоянии от источника.
Высокую направленность действия для того, чтобы ослабленный звуковой сигнал гарантированно превышал уровень остаточных внешних помех. Под высокой направленностью действия понимается способность подавлять внешние акустические помехи с направлений, не совпадающих с направлением на источник звука.
Выполнить эти требования в полном объеме на практике (для одного микрофона) – задача исключительно сложная. Более реальным стало решение частных задач, например создание слабонаправленного микрофона с высокой чувствительностью или, наоборот, создание высоконаправленного микрофона с малой чувствительностью, что привело к разнообразию видов направленных микрофонов.
2.2.1. Виды направленных микрофонов.
Существует по меньшей мере четыре вида направленных микрофонов [7]:
параболические;
плоские акустические фазированные решетки;
трубчатые, или микрофоны "бегущей" волны;
градиентные.
Параболический микрофон состоит из отражателя звука параболической формы, в фокусе которого расположен обычный (ненаправленный) микрофон. Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного материала.
Рис. 2.1. Параболический микрофон
Величина внешнего диаметра параболического зеркала может находиться в пределах от 200 до 500 мм. Принцип работы этого микрофона поясняется на рис. 2.1. Звуковые волны с осевого направления отражаются от параболического зеркала и суммируются в фазе в фокальной точке А. За счет этого эффекта возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большим усилением характеризуется микрофон. Если направление волны звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн в точке А произойдет со сдвигом по фазе и усиление микрофона будет меньшим. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Параболический микрофон является примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона.
Плоские фазированные решетки обеспечивают одновременный прием звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука (рис. 2.2). В этих точках (А1, А2, А3...) размещаются либо микрофоны с суммированием сигналов электрическим способом, либо открытые торцы звуководов, например трубок достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых пален от источника в некотором акустическом сумматоре.
Рис. 2.2. Плоская фазированная решетка
В микрофоне со звуководами к выходу сумматора подсоединен микрофон. В случае прихода звуковой волны с осевого направления все сигналы, распространяющиеся по звукаводам, будут иметь одинаковые фазы, и сложение звуковых волн в акустическом сумматоре будет иметь максимальное значение. Если направление на источник звука не осевое, то сигналы от разных точек приемной плоскости будут иметь различные фазы и результат их сложения будет меньшим. Чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление. Обычно число приемных точек Аi в таких решетках составляет несколько десятков.
Плоские фазированные решетки обычно встраиваются в переднюю стенку атташе-кейса с последующим камуфляжем, или в майку-жилет, которая надевается под пиджак или рубашку. Электронные блоки (усилитель, элементы питания, магнитофон) располагаются соответственно либо в кейсе, либо под одеждой. Плоские фазированные решетки с камуфляжем визуально более скрытны по сравнению с параболическими микрофонами.
Трубчатые микрофоны, или микрофоны «бегущей» волны, в отличие от параболических микрофонов и плоских акустических решеток, имеют иной принцип действия. Они принимают звук вдоль некоторой линии, совпадающей с направлением на источник звука. Принцип их действия поясняется на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Трубчатый микрофон
Трубчатый микрофон представляет собой звуковод в форме жесткой полой трубки диаметром 10-30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами вдоль оси звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. При приеме звуковой волны с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, в силу равенства скоростей осевого распространения звука вне трубки и внутри нее. Когда же звук приходит под некоторым углом к оси микрофона, то это ведет к неравенству длин путей распространения звуковых волн и фазовому рассогласованию, в результате чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона находится в пределах от 15-230 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений.
Градиентные микрофоны первого порядка в отличие от фазированных приемных акустических решеток, использующих операцию сложения акустических сигналов, обеспечивают операцию вычитания по направлению прихода сигнала [7]. В силу этого они имеют низкую пороговую чувствительность, поскольку вычитание ослабляет сигнал, но статистически суммирует внутренние помехи. В то же время сама по себе операция вычитания позволяет конструировать направленные системы малых размеров. Простейшим градиентным направленным микрофоном является микрофон, реализующий градиент первого порядка (рис. 2.4). Он представляет собой два достаточно миниатюрных и близкорасположенных высокочувствительных микрофона М1 и М2, выходные сигналы которых электрически (или акустически) вычитаются друг из друга, реализуя в конечных разностях первую производную звукового поля по оси микрофона и формируя диаграмму вида cos Q, где Q - угол прихода звука. Тем самым обеспечивается относительное ослабление акустических полей с боковых направлений (0 - 90°).
Градиентными микрофонами высоких порядков называют системы, формирующие пространственные производные 2-го, 3-го и более старших порядков.
Рис. 2.4. Простейший градиентный микрофон