6. Конверторы электрических сигналов

Подслушивание - самый древний вид вскрытия конфиденциальной информации. Технические средства подслушивания значительно расширили и дополнили возможности слуховой системы человека. Конкретный способ подслушивания реализуется с использованием соответствующих технических средств.

Совокупность технических средств добывания семантической и признаковой акустической информации составляет комплекс средств подслушивания. Основу такого комплекса составляет акустический приемник, содержащий основные элементы: акустоэлектрический преобразователь, селективный усилитель и электроакустический преобразователь. Акустоэлектрический преобразователь, предназначенный для приема акустической волны, распространяющейся в воздухе, называется микрофоном, в твердой среде – стетоскопом или акселерометром, в земной поверхности – геофоном, в воде - гидрофоном.

Селективный усилитель используется для выделения полезного сигнала на фоне шумов, его усиления и подавления мешающих помех. Электроакустический преобразователь преобразует электрический сигнал в акустический сигнал, воспринимаемый человеком. К таким преобразователям относят громкоговорители и телефоны.

1. Микрофоны

1. Классификация микрофонов

Микрофон - устройство преобразования акустических колебаний воздушной среды в электрические сигналы. Микрофоны могут быть классифицированы по различным призна­кам.

1. По принципу преобразования акустических (звуковых волн) в элек­трические различают микрофоны:

• электродинамические;

• элек­тростатические (конденсаторные и электретные);

• угольные;

• пьезоэ­лектрические;

• полупроводниковые.

2. По признакам характеристики направленности (пространственной избирательности) микрофоны бывают:

   • ненаправленные;

   • односторонней направленности;

   • двусторонней направленности;

   • острой направленности.

3. По полосе рабочих частот различают микрофоны:

   • узкополосные, применяемые только для приема (и записи) речи;

   • широкополосные, преобразующие колебания в звуковом и ультразвуковом диапазоне частот.

4. По конструктивному исполнению микрофоны бывают:

   • широкого применения;

   • специальные миниатюрные;

   • специальные субминиатюрные (камуфлированные).

5. По способу применения микрофоны могут быть воздушными, гидроакустическими и контактными. Модификацией последних являются ларингофоны и остеофоны, воспринимающие и преобразующие в электрические сигналы вибрации связок и хрящей гортани или кости черепа говорящего. Применяются для обеспечения связи в условиях повышенного акустического шума среды (для летчиков, танкистов и др.).

Классификация может быть продолжена, например, по признаку приема звуковых колебаний, по электрическим параметрам, по массо - габаритным характеристикам и др.

2. Конструктивное исполнение основных типов микрофонов

Угольный (иное название - порошковый) микрофон изобретен 1879 г. русским инженером М. Михальским. Конструктивно угольный микрофон (рис.6.1, а) представляет собой круглую коробочку (3), наполненную гранулированным древесным углем (4) и закрытую тонкой металлической упругой крышкой – мембраной (1). К электродам (2), укрепленным на дне коробочки и на мембране, подводится постоянное напряжение, под действием которого в массе угольного порошка протекает ток. При воздействии акустической волны мембрана микрофона приходит в колебательное движение, вследствие чего изменяется степень сжатия угольного порошка и площадь соприкосновения его гранул друг с другом. В результате этого меняются сопротивление порошка и сила протекающего через него тока в соответствии с силой звука.

Угольные микрофоны имеют сопротивление от десятков до сотен Ом, при этом выделяют микрофоны: низкоомные (35 … 65 Ом); среднеомные (65 … 145 Ом); высокоомные (145 … 300 Ом).

Достоинства угольных микрофонов: простота конструкции; низкая стоимость; высокая чувствительность (достаточно высокий уровень выходного сигнала), что определяет основное применение в проводной телефонной связи.

Основной недостаток угольного микрофона – частотная узкополосность, и как следствие – невозможность его применения для передачи более широкополосных, чем речь, акустических сигналов.

Конструкция электродинамического микрофона, изобретенного в 1931 г. американскими учеными Э. Венте и А. Террас, во многом аналогична конструкции электродинамического громкоговорителя (рис.6.1, б). Катушка из тонкой проволоки (2) жестко связана с мембраной (1) из полистирольной пленки или алюминиевой фольги и постоянно находится в воздушном зазоре постоянного магнита (3). Конструкция располагается в корпусе (4). Под действием акустической волны наблюдаются механические колебания катушки совместно с мембраной. В результате этого в катушке наводится ЭДС, значение которой пропорционально громкости звука.

Электродинамические микрофоны относительно просты, надежны, способны работать в широком диапазоне температур и влажности, устойчивы к сотрясениям. Область применения динамических микрофонов – различная звукоусилительная и звукозаписывающая аппаратура.

В электромагнитном микрофоне (рис.6.1, в) в результате колебаний мембраны (1) из ферромагнитного материала в обмотке неподвижной катушки (2) с сердечником (3), по которой протекает постоянный ток, возникает ЭДС индукции, величина которой пропорциональна интенсивности звука.

Конденсаторный микрофон (рис.6.1, г) представляет собой капсуль, состоящий из двух параллельно расположенных пластин – электродов, один из которых массивный (2), другой – тонкая мембрана (1). Электроды, расположенные на расстоянии 20 … 40 мкм, образуют конденсатор, емкость которого зависит от площади пластин и расстояния между ними. К электродам подводится через резистор поляризующее постоянное напряжение.

При воздействии на мембрану акустической волны изменяется расстояние между обкладками конденсатора и, соответственно, емкость конденсатора. В результате через резистор протекает ток, амплитуда которого пропорциональна звуковому давлению на мембрану.

Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон. Его мембрана выполнена из полимерных смол, способных при высокой температуре в сильном электрическом поле заряжаться и сохранять электрический заряд продолжительное время. Такие материалы называются электретными.

Мембрана сверху металлизируется. Между электродами (мембраной и второй обкладкой конденсатора) возникает разность потенциалов 45 … 130 В. Электретные микрофоны не нуждаются во внешнем источнике питания и широко используются в звукозаписывающей аппаратуре, в том числе для негласного подслушивания.

В пъезоэлектрическом микрофоне (рис.6.1, д) при механическом воздействии мембраны (1) с помощью стержня (2) на пъезоэлектрическую пластину (3) на поверхности последней возникают заряды, величина которых соответствует уровню громкости акустического сигнала.

В ленточных микрофонах (рис. 6.1 е) в зазоре между полюсными наконечниками (2), по­стоянного магнита (3) подвешена лента из алюминиевой фольги (1) толщиной 3 - 4 мкм. Под действием звуковой волны лента вибрирует, в результате чего в ней наводится ЭДС, пропорциональная силе звука.

Для снятия акустической информации, распространяющейся в твердой среде, применяется акселерометр. Он преобразует структурный звук в электрический сигнал, величина которого пропорциональна амплитуде смещения частиц твердого вещества.

В распространенных пъезоэлектрических акселерометрах одна или две пластины из пъезоэлемента размещаются между основанием, прикрепленном к вибрирующей поверхности, и массивной накладкой (рис.6.2).

Колебания твердой среды через основание акселерометра передаются на контактирующую с ним нижнюю поверхность пъезоэлемента. Другая (верхняя) поверхность пъезоэлемента прилегает к пассивной накладке, которая из-за инерционности остается практически неподвижной.

В результате этого пьезоэлемент подвергается давлению, пропорциональному разности ускорений сил, действующих на обе его поверхности, и на его обкладках возникают электрические сигналы, соответствующие структурному звуку.

Принципы работы гидрофона и геофона близки принципам работы микрофона и акселерометра соответственно, но с иными конструктивными решениями.