9

Лабораторная работа № 2

Исследование дальности действия направленного параболического

микрофона.

1. Цель и задачи лабораторной работы

Целью лабораторной работы является закрепление у студентов знаний о технических средствах акустической разведки на примере направленного микрофона «Супер Ухо – 100».

Задачей лабораторной работы является проведение экспериментальной оценки дальности действия направленного параболического микрофона.

2. Теоретическое введение

2.1. Назначение направленных микрофонов.

Направленные микрофоны предназначены, прежде всего, для ведения акустической разведки на открытом пространстве, а также, в случае если в выделенном помещении открыта (приоткрыта) форточка или фрамуга. Разведка может вестись из соседних зданий или автомашин, находящихся на автостоянках, прилегающих к зданию.

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 естественными рассеивателями энергии, например, средне- и крупномасштабными турбулентностями атмосферы, создающими помехи при ветре).

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:

- высокую пороговую акустическую чувствительность, чтобы ослабленный звуковой сигнал превышал уровень собственных (в основном тепловых) шумов приемника;

- высокую направленность действия для того, чтобы ослабленный звуковой сигнал гарантированно превышал уровень 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. Виды направленных микрофонов

Существует, по меньшей мере, четыре вида направленных микрофонов:

• параболические;

• плоские акустические фазированные решетки;

• трубчатые или микрофоны «бегущей» волны;

• градиентные.

В основном используются три вида направленных микрофонов: параболические (рефлекторные), трубчатые (интерференционные) и плоские микрофонные решетки.

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.

З начение внешнего диаметра параболического зеркала может находиться в пределах от 200 до 500 мм. Принцип работы этого микрофона поясняется на рис. 1.

Рис. 1. Схема параболического направленного микрофона

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 F 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.

В рефлекторной системе характеристика направленности сильно зависит от частоты и изменяется от практически ненаправленной на низких частотах (при диаметре рефлектора меньше длины звуковой волны) до узкого лепестка на высоких частотах. Частотная характеристика чувствительности таких микрофонов имеет подъем в сторону высоких частот с крутизной порядка 6 дБ на октаву, который обычно компенсируется или электронным методом (например, эквалайзером), или специальной конструкцией капсюля.

Внешний вид направленного микрофона «Супер Ухо – 100» представлен на фото 1.

Фото 1. направленный микрофон «Супер Ухо – 100»

Параболический отражатель направленного микрофона «Супер Ухо – 100» выполнен из пластика. В фокусе отражателя помещен электретный микрофон, подключенный к входу малошумящего усилителя низкой частоты. Встроенный 8-кратный бинокль позволяет точно навести микрофон на цель.

Микрофон имеет размеры 290´150´90 мм и массу 1,2 кг. Питание микрофона осуществляется от батарейки типа «крона». Время работы от внутренней батарейки – до 60 ч.

Прослушивание перехватываемых разговоров осуществляется с использованием наушников. Микрофон имеет встроенный диктофон, позволяющий осуществлять запись перехваченных разговоров.

Диаграмма направленности микрофона – 10°, коэффициент усиления – 70 дБ, что обеспечивает перехват разговоров на открытой местности при низком уровне шума до 100 м. Частотный диапазон микрофона от 100 до 14 000 Гц.

Внешний вид других параболических направленных микрофонов представлен на фото 2.

Дальность перехвата разговоров в параболических микрофонах во многом зависит от диаметра отражателя. Например, для одних и тех же условий при диаметре отражателя 60 см (микрофон PKI 2915) дальность перехвата разговора составляет 100 м, а при диаметре 85 см (микрофон PKI 2920) – 150 м. Параболические микрофоны чаще всего маскируются под антенны спутникового телевидения и устанавливаются на балконах домов.

Фото 2. Параболические направленные микрофоны.

Плоские фазированные решетки обеспечивают одновременный прием звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости перпендикулярной к направлению на источник звука (рис. 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 волн от источника в некотором акустическом сумматоре.

Рис.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 звуководам, будут иметь одинаковые фазы, и сложение звуковых волн в акустическом сумматоре даст максимальное значение. Если направление на источник звука не осевое, то сигнал от разных точек приемной плоскости даст различные фазы и результат их сложения будет меньшим. Чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление. Обычно число приемных точек Ai 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 менее заметны 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.3.

Рис.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, благодаря равенству 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.