2.2.2. Сравнение и оценка направленных микрофонов
Основной пользовательской характеристикой направленных микрофонов является дальность их действия в конкретных условиях. Для открытого пространства и изотропных и независимых по угловым направлениям внешних акустических помех дальность действия R связана [7]:
а) со спектральным отношением сигнал/помеха q на выходе направленного микрофона,
б) со спектральным уровнем речи Вр;
в) со спектральным уровнем внешних акустических помех Вш соотношением вида:
(2.6)
где
G - так называемый коэффициент направленного действия микрофона (дБ),
Вп - пороговая акустическая чувствительность микрофона (дБ).
Входящий в формулу (2.6) коэффициент направленного действия G характеризует степень относительного подавления внешних акустических помех: чем он больше, тем сильнее это подавление. Теоретически он связан с нормированной диаграммой направленности микрофона F (Q, ) соотношением вида:
(2.7)
где Q - угол прихода звуковой волны по отношению к оси микрофона; - угол прихода звуковой волны в полярных координатах плоскости, перпендикулярной оси.
Например, для трубчатого микрофона, когда
(2.8)
где -длина волны звука, а L - длина трубки, имеем :
G = 4 L/ . (2.9)
Для градиентных микрофонов n-го порядка при оптимальной обработке сигналов
G=n (n+1) (2.10)
где n - порядок градиента. При известных значениях величины G формула (2.6) достаточна для получения абсолютных оценок ожидаемого спектрального отношения сигнал/помеха, если известны условия. Но во многих случаях знания этих условий бывают неточны. Поэтому более оправданно использовать не абсолютные, а относительные оценки дальности как не требующие точного знания условий, поскольку сопоставление происходит при их равенстве. С этих позиций сравним возможности направленных микрофонов с возможностями не вооруженного специальными устройствами человеческого слуха. Формально для него можно записать соотношение, аналогичное (2.6). В результате сравнения получим:
(2.11)
Здесь R0 - дальность слышимости звука органом слуха; R - дальность действия направленного микрофона с тем же качеством контроля; Go - коэффициент направленного действия органа слуха человека (режим биноурального прослушивания); Bп - разность пороговой чувствительности направленного микрофона и органа слуха. На рис. 2.5 представлен график зависимости относительной дальности действия R/Ro направленного микрофона как функции его коэффициента направленного действия G для случая, когда Bп = 0 (вариант технически реализуем). Коэффициент Go направленного действия органа слуха человеком принят равным 6 дБ.
Рис. 2.5. Дальность действия направленного микрофона R по сравнению с дальностью R0 слышимости звука неоснащенным органом слуха
Из графика видно, что при G = 15 дБ (такое значение G примерно соответствует данным для большинства достаточно хороших микрофонов типа фазированных решеток и параболического типа) направленный микрофон позволит реализовать дальность контроля примерно в 3 раза большую, чем расстояние Ro, при котором звук воспринимается человеком без специальных приспособлений. Сопоставление проводится в одинаковых условиях для одного и того же источника звука. Практически этот результат означает следующее: если речь идет об акустическом контроле разговоров в городе, на улице, когда R0 = 2 - 4 м, то направленные микрофоны позволят регистрировать разговор на расстояниях 6-12 м. В загородных условиях, с меньшим уровнем помех, когда величина Ro может достигать 10 м и болеее, дальность контроля с использованием технических средств может составить более 30 м.
Таковы оценки использования направленных микрофонов в условиях открытого пространства. Но возможно применение направленных микрофонов и в закрытых помещениях, для которых обязателен учет реверберации, то есть отражений звуковых сигналов от стен помещений и предметов интерьера.
Формально в этих условиях соотношение (2.11) остается справедливым, если вместо G использовать приведенный коэффициент направленного действия G0:
G0=(G+R)/(1+R), (2.12)
где R - некоторый параметр, учитывающий площадь поверхности объема (так называемое акустическое отношение).
2.2.3. Примеры технической реализации направленных микрофонов
На рис. 2.6 – 2.8 показаны некоторые образцы направленных микрофонов.
Параболический микрофон ЕРМ (рис. 2.6,а) использует принцип отражения звуковых волн, параллельных параболической оси. Все параболы склонны принимать некоторые частоты более эффективно, чем другие, что обусловлено их размером и материалом, из которого они выполнены. Эти частоты известны как резонансные. Их пиковая (максимальная) энергия может в некоторой степени изменить сигнал, вызывая нежелательный эффект. Отражательный щит ЕРМ разработан таким образом, чтобы, насколько возможно, минимизировать этот эффект. Он изготовлен из мягкого пластика, что позволяет, наряду с высокими, получать также низкие частоты голосового диапазона.
Микрофон имеет акустическое зеркало диаметром 47.6 см и динамический капсюль, характеризуется диапазоном воспринимаемых частот 150-20000 Гц и дальностью около 1км (при уровне фона не более 20dB).
Направленный микрофон «ВЕКТОР» (рис. 2.6,б) имеет максимальную дальность контроля информации при соотношении сигнал/помеха не менее единицы – 30 м. Выходной сигнал – линейный выход, головные телефоны.
Отличительные особенности микрофона:
имеет электронный усилитель речевого сигнала с малым уровнем собственных шумов (усиление не менее 80 дБ)
обеспечивает возможность работы со штатива и с руки.
Остронаправленный ветрозащищённый микрофон «ОВМ-01» (рис. 2.7,а) представляет собой микрофонную фазированную решётку. Оптимальная схема согласования позволила получить высокую чувствительность и малый уровень приведённых собственных шумов при эффективной ветрозащите без воздушных отверстий.
«ОВМ-01» обладает самой узкой диаграммой направленности из всех существующих микрофонов этого класса и может применяться для записи репортажей в условиях шумной улицы (60-70 дБА) на расстояниях до 10 м, а при уровне помех 40-20 дБА – на расстояниях 30-100м.
Направленный микрофон «А80» (рис. 2.7,б) представляет собой плоскую фазированную микрофонную решетку с апертурой 62 см и коэффициентом усиления не менее 30дБ. Ветрозащищенность микрофона обеспечена его конструкцией. Микрофон имеет оптимальные амплитудно-частотные характеристики для речевых сигналов.
Направленный микрофон «КЕЙС» (рис. 2.8) предназначен для контроля акустической информации на удалении от объекта с одновременной записью на диктофон и передачей по радиоканалу с кварцевой стабилизацией частоты.
Направленный микрофон выполнен в виде кейса. Акустическая решетка микрофона закамуфлирована в его верхней крышке. Камуфляж выполнен таким образом, что кейс не имеет внешних отличительных признаков наличия встроенного направленного микрофона как снаружи, так и изнутри кейса.
Максимум диаграммы направленности микрофона расположен перпендикулярно плоскости верхней крышки кейса.
Получаемую акустическую информацию можно одновременно записывать и передавать по радиоканалу.
В комплект поставки входит – блок радиоканала, который представляет собой чувствительный малошумящий усилитель низкой частоты с непосредственным выходом на головной телефон для непосредственного контроля. Этот же усилитель является модулятором для кварцованного передатчика, необходимого для одновременной передачи информации по радиоканалу. Для записи информации кейс комплектуется диктофоном «Sony 727» или магнитофоном «ТР-6».
Управление записью магнитофона и коммутацией питания блока радиоканала осуществляется скрытно установленными переключателями, расположенными в замке на передней панели кейса.
При необходимости передачу по эфиру можно отключить переключателем на блоке радиоканала.
Продолжительность непрерывной записи на одну сторону микрокассеты «С-60» составляет 30 минут. Для увеличения продолжительности записи необходимо использовать другие типы диктофонов, имеющие режим автореверса.