1.5 Виды микрофонов направленного действия

Рассмотрим следующие виды направленных акустических микрофонов:

• С параболическим рефлектором;

• Фазированная решетка;

• Интерференционный (бегущей волны, щелевой);

• Органного типа;

• Градиентный.

Параболический микрофон представляет собой отражатель звука параболической формы, в фокусе которого расположен ненаправленный микрофон. Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного (акриловая пластмасса) материала.

Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в фокальной точке, таким образом, возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр d рефлектора, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн, приходящих в фокальную точку, даст меньший результат, поскольку не все слагаемые будут в фазе. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Коэффициент направленного действия может быть оценен по формуле (λ ― длина волны звука) [11]:

G = 4π³d²/λ² (2)

Специалисты рекомендуют применять такие микрофоны в условиях ограниченной видимости, при относительно низких уровнях окружающих шумов — ночью, в парках, сельской местности. Неудобство использования параболических микрофонов во многом обусловлено их плохими маскировочными свойствами — например, параболический приемник PRO-200 с паспортной дальностью 1 км обладает диаметром зеркала 75 см. В настоящее время на отечественном рынке существуют более компактные устройства ― портативный микрофон Орбита с диаметром параболического зеркала 29 см, оптическим наведением, шириной диаграммы направленности 10^◦, дальностью прослушивания речи 100 м [5].

Плоские фазированные решетки основываются на принципе одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука. В этих точках размещаются либо микрофоны, выходные сигналы которых суммируются электрически, либо открытые торцы звуководов, например трубки достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых волн от источника в акустическом сумматоре, к выходу которого подсоединен микрофон. Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут в фазе, и сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если направление на источник звука не осевое, а под некоторым углом к оси, то сигналы от разных точек приемной плоскости будут разными по фазе и результат их сложения тем меньше, чем больше угол прихода звука. Как правило, число приемных точек в решетках площадью S составляет несколько десятков. Коэффициент направленного действия может быть оценен по формуле [11]:

G = 4πS/λ² (3)

Плоские фазированные решетки обладают хорошей маскируемостью по сравнению с параболическими направленными микрофонами и встраиваются либо в переднюю стенку кейса с последующим камуфляжем, либо в жилет, который надевается под пиджак или рубашку. Необходимые электронные блоки (усилитель, элементы питания, магнитофон) располагаются соответственно либо в кейсе, либо под одеждой.

В качестве примера современного направленного микрофона такого типа можно привести НМ – А62 с размером решетки 62х23 см, шириной диаграммы направленности не более 14^◦, уровнем приведенных собственных шумов — около 0 дБ [1].

Микрофоны «бегущей» волны, в отличие от параболических микрофонов и плоских акустических фазированных решеток, принимают звук не на плоскости, а вдоль линии, совпадающей с направлением на источник звука.

Основой микрофона является звуковод в виде жесткой полой трубки диаметром 10–30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами по всей длине звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. При приеме звука с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, поскольку скорости осевого распространения звука вне трубки и внутри нее одинаковы. Если звук приходит под некоторым углом к оси микрофона, то это ведет к фазовому рассогласованию, так как скорость звука в трубке будет больше осевой составляющей скорости звука вне ее, что является причиной снижения чувствительности приема. Как правило, длина трубчатого микрофона L находится в пределах от 0,2 до 1 м. Увеличение длины усиливает подавление помех с боковых и тыльного направлений. Коэффициент направленного действия может быть оценен по формуле (при L> λ) [11]:

G = 4L/λ (4)

Данный тип микрофона ― один из наиболее распространенных благодаря своей простоте, низкой стоимости, возможности организации различных вариантов камуфляжа (под трость, под зонтик и т.д.).

На отечественном рынке в качестве примера можно привести направленный микрофон DSAS с длиной трубки около 20 см и эффективным расстоянием приема до 80 м при отсутствии фоновых шумов [5].

В отличие от фазированных приемных акустических решеток, основанных на операции сложения акустических сигналов, градиентные микрофоны используют операции вычитания по направлению прихода сигнала. Такое конструктивное решение ставит их в невыгодное положение по пороговой чувствительности, поскольку каждое вычитание ослабляет сигнал, но статистически суммирует внутренние помехи. В то же время оно позволяет конструировать направленные системы малых размеров. Простейшим примером является микрофон, реализующий градиент первого порядка.

Он представляет собой два достаточно миниатюрных и близкорасположенных высокочувствительных микрофона, выходные сигналы которых электрически 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. Таким образом, обеспечивается относительное ослабление акустических полей с боковых направлений. Градиентными микрофонами высоких порядков называют системы, реализующие пространственные производные второго, третьего и более старших порядков.

Градиентные микрофоны высоких порядков на рынке открытых предложений практически не представлены. Основным их преимуществом являются малые размеры (менее 1 см³), чувствительность и коэффициент направленного действия невелики [1].

Направленные микрофоны органного типа по принципу действия близки к микрофонам бегущей волны. От микрофонов, основанных на принципе фазированных акустических решеток, они отличаются большими размерами, (до 90 см) но и вместе с тем обладают более выраженными направленными свойствами — имеют высокий индекс направленности (около 8 дБ).

Направленные микрофоны органного типа (большие мобильные или стационарные установки, применяемые в пограничных войсках для прослушивания акустических сигналов с сопредельной территории и др.), позволяют осуществлять прослушивание до 1000 м [2].

На открытом рынке подобные устройства практически не представлены, за исключением нескольких экспериментальных изделий. Однако самодельные варианты микрофонов этого типа рассматриваются как перспективные средства для осуществления прослушивания в соответствующей литературе (см. [4], [6], [13]).

Более подробно устройство и принцип работы направленного микрофона органного типа рассматриваются в следующей главе.