Теоретическая часть направленные микрофоны органного типа

Для получения информации, идущей только с одного направления, используют узконаправленные микрофоны. В простейших из них узкая диаграмма направленности формируется за счет использования длиной трубок и микрофона, установленного в ней. Трубка маскируется под трость или зонт. В более сложных конструкциях могут использоваться несколько трубок различной длины - это так называемый микрофон органного типа. Такой микрофон способен улавливать звуки голосов на расстоянии до 1000 метров. Высокую направленность имеют также микрофоны, в которых диаграмма формируется параболическим концентратором звука. Использования явления резонанса звуковых волн в направленных системах приводит к увеличению уровня сигнала звука энергии, которой поступает в микрофон. Простой направленный микрофон представляет собой набор из семи алюминиевых трубок диаметром 10 мм.

Длина трубок определят резонансную частоту звуковых сигналов. Формула для расчета:

L=330/2F, (1.1)

где L-длина трубок в метрах;

F- резонансная частота в герцах.

Исходя из вышеприведённой формулы, можно построить таблицу, где N-номер трубки.

Таблица 1.1- Характеристика трубок направленного микрофона

№ трубки	1	2	3	4	5	6	7
Длина в мм	550	400	300	200	150	100	50
Частота,Гц	300	412	550	825	1100	1650	3300

Его конструкция содержит семь алюминиевых трубок диаметром 10 мм, собранных в блок, параболического рефлектора, в фокусе которого размещен микрофон, и высокочувствительного усилителя звуковой частоты.

Рисунок 1.1 – Конструкция направленного микрофона

Длина трубки определяет ее резонансную частоту. Длине трубки №1 (550 мм) соответствует частота 300 Гц; трубки №2 (400 мм) - 412 Гц; трубки №3 (300 мм) - 550 Гц; трубки №4 (200 мм) - 825 Гц; трубки №5 (150 мм) - 1100 Гц; трубки №6 (100 мм) - 1650 Гц; трубки №7 (50 мм) - 3300 Гц.

Таким образом ,перекрывается весь «разговорныйо» спектр речи человека. Рефлектор исполняет функцию акустического сумматора, фокусирующего сигналы резонаторов. Но суммирование сигналов может быть реализовано и без рефлектора. Для этого необходимо снабдить отдельными чувствительными микрофонами все резонаторы, а их сигналы просуммировать электрически - так, например, как это делают в звукозаписи, «конструируя» сложную фонограмму.

Помимо этого, настройкой разного усиления в каждом из каналов, можно привести амплитудо-частотные характеристики микрофонов к порогу, дающему наилучшее качество принимаемого сигнала.

Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, проходят в трубки и поступают в предкапсюльный объем в одинаковой фазе. Их амплитуды складываются арифметически:

, (1.2)

где N — количество трубок, a U — амплитуды звуковых волн. Звуковые волны фонового шума, приходящие под углом 6 к оси, оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину, поэтому амплитуды этих волн складываются геометрически:

, (1.3)

где - величина разности фаз для любой пары звуковых волн, пришедших по трубкам, длины которых отличаются на величину d:

(1.4)

Характеристика направленности для такого направленного микрофона определяется из соотношения, аналогичного для линейной группы приемников:

, (1.5)

где х =  (d_min/)(1- cos ), d_min - разница в длине между ближайшими по размеру трубками.

Приведенные соображения справедливы в случае, если в трубке не образуются резонансные колебания. С этой целью входные отверстия трубок либо их концы у капсюля закрывают при помощи пробок из пористого поглотителя.

Основным достоинством таких направленных микрофонов является высокий индекс направленности (около 8 дБ, при этом шумы, действующие с боковых направлений, ослабляются по отношению к сигналу почти в 10 раз). Основной недостаток — довольно большие геометрические размеры (максимальная длина трубок около 90 см).

Необходимо учитывать, что на расстоянии 100 м, даже если микрофон жестко закрепить, случайный порыв ветpa, вибрация от проезжающего рядом транспорта и т. п. будут уводить «прицел» на некоторое расстояние. Допустим, что ось диаграммы направленности микрофона сместилась относительно своего первоначального положения всего на 1 °.

Рисунок 1.2 - Расчет дальности действия микрофона

Как видно из этого рисунка, при расстоянии 100 м центр «акустического пятна» переместился на 1,7 м. На самом деле направленный микрофон смещается не на один, а на несколько градусов.

Теоретический расчет направленных микрофонов органного типа

Основной 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:

а) со спектральным отношением сигнал/помеха q на выходе направленного микрофона, б) со спектральным уровнем речи В_р; в) со спектральным уровнем внешних акустических помех В_ш соотношением вида:

q=B_p - B_ш -20 lg R+G - B_п , (1.6)

где G - так называемый коэффициент направленного действия микрофона (дБ), Вп - пороговая акустическая чувствительность микрофона (дБ).

Входящий в формулу (1.6) коэффициент G направленного действия характеризует степень относительного подавления внешних акустических помех: чем он больше, тем сильнее это подавление. Теоретически он связан с нормированной диаграммой направленности микрофона F (Q,j) соотношением вида:

, (1.7)

где Q - угол прихода звуковой волны по отношению к оси микрофона; j - угол прихода звуковой волны в полярных координатах плоскости, перпендикулярной оси.

Например, для трубчатого микрофона, когда

(1.8)

где l -длина волны звука, а L - длина трубки, имеем ( при L > l ):

(1.9)

При известных значениях величины G формула (1.6) 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 точных знании условии, поскольку сопоставление происходит при их равенстве. Принимая такую идеологию, сравним возможности направленных микрофонов с возможностями не вооруженного специальными устройствами человеческого слуха. Формально для него можно записать соотношение, аналогичное (1.6). В результате сравнения получим:

R=R₀ * 10 ^{0,05 (G-G}₀^{) – 0,005 D Bп} , (1.10)

где R₀ - дальность слышимости звука органом слуха, R - дальность действия направленного микрофона с тем же качеством контроля. G_o - коэффициент направленного действия органа слуха человека (режим биноурального прослушивания). D B_п - разность пороговой чувствительности направленного микрофона и органа слуха.

На рисунке 1.3 представлен график зависимости относительной дальности действия R/R₀ направленного микрофона как функции его коэффициента направленного действия G для случая, когда D B_п = О (вариант технически реализуем). Коэффициент G_o направленного действия органа слуха человеком принят равным 6 дБ.

Рисунок 1.3 - Зависимость относительной дальности микрофона от коэффициента его направленного действия

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 R₀, 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 R₀ может достигать 10 м и больше, дальность контроля с использованием технических средств может составить более 30 м.

Таковы оценки ситуаций 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 (1.10) остается справедливым, если вместо G использовать приведенный коэффициент направленного действия G⁰:

G⁰=(G+R)/(1+R) , (1.11)

где R - некоторый параметр, учитывающий площадь поверхности объема (так называемое акустическое отношение).

Диаграммы направленности

Однонаправленный микрофон наиболее чувствителен к звуку, приходящему с одного направления, и менее чувствителен к остальным. Типичной для таких микрофонов является кардиоидная характеристика (диаграмма имеем форму сердца). При ней, наибольшая чувствительность достигается на направлении вдоль оси микрофона (0 градусов), а наименьшая - в противоположном (180 градусов отклонения). Эффективный угол работы кардиоидного микрофона составляет 130 градусов, то есть по 65 градусов в любую сторону от оси перед микрофоном. Таким образом кардиоидный микрофон улавливает около трети пространственных звуков по сравнению со всенаправленным. Однонаправленные микрофоны отделяют нужный прямой звук от ненужных боковых и пространственных.

Применение кардиоидного микрофона часто необходимо. Однонаправленные микрофоны могут иметь различные варианты кардиоидной диаграммы. Два из них носят названия суперкардиоиды и гиперкардиоиды. Обе характеристики имеют меньшие, чем кардиоида рабочие углы (115 вслучае суперкардиоиды и 105 в случае гиперкардиоиды) а также сильнее отсекают пространственные звуки. В то время, как кардиоида имеет наименьшую чувствительность сзади (180 градусов отклонения), у кардиоиды направление наименьшей чувствительности составляет 126 градусов, а у гиперкардиоиды - 100. При правильной установке они обеспечивают более фокусированный съем звука, и меньше количество пространственного шума, чем у кардиоиды. Однако, они имеют зону улавливания непосредственно сзади (rear lobe). У суперкардиоиды подавление сзади составляет -12дБ, а у гиперкардиоиды - всего -6дБ. Хорошая кардиоида имеет подавление сзади по меньшей мере -15-20 дБ.

Однонаправленные микрофоны могут не только отделить звучание одного инструмента от другого, но может также уменьшить обратную связь, допуская тем самым большее усиление. С этой точки зрения однонаправленные микрофоны предпочтительнее всенаправленных практически во всех задачах усиления звука.

Микрофоны с суперкардиоидной диаграммой направленности:

1. имеют максимальную разницу между передней и задней областями чувствительности среди подобных микрофонов;

2. обеспечивают большую изоляцию, чем микрофоны с кардиоидной направленностью;

3. менее чувствительны к акустике помещения, чем микрофоны с кардиоидной направленностью.

Микрофоны с гиперкардиоидной диаграммой направленности:

1. обеспечивают максимальную среди подобных им микрофонов нечувствительность к боковым звукам;

2. обеспечивают максимальную акустическую изоляцию: защищают от неблагоприятных эффектов помещения, feedback (эффект обратной связи) и посторонних шумов;

3. препятствуют утечке сигнала.

Рисунок 1.4 – Диаграмма направленности: