Насочени микрофони - митове и реалност
Насочени микрофони: митове и реалност.
Абалмазов Едуард Иванович, доктор на техническите науки, професор
Статията е препечатана от списание Security Systems #4 1996
Вместо въведение
Когато говорим за насочени микрофони, те имат предвид преди всичко ситуации на акустичен контрол на източници на звук на открито, когато ефектите от така наречената реверберация на акустични пожари могат да бъдат пренебрегнати. За такива ситуации решаващият фактор е разстоянието на източника на звук от насочения микрофон, което води до значително затихване на нивото на контролираното звуково поле(Освен това, на голямо разстояние, затихването на звука става забележимо поради разрушаването на пространствената кохерентност на полето, поради наличието на естествени разсейватели на енергия, като средни и големи атмосферни турбуленции, които пречат на вятъра).
И така, на разстояние от 100 m звуковото налягане се отслабва с най-малко 40 dB (в сравнение с разстояние от 1 m), а след това нивото на звука на нормален разговор от 60 dB ще бъде не повече от 20 dB в приемащата точка. Това налягане е значително по-малко от не само нивото на реални външни акустични смущения, но и от прага на акустичната чувствителност на конвенционалните микрофони. Така че, за разлика от конвенционалните, насочените микрофони трябва да имат:
- висок праг на акустична чувствителност като гаранция, че отслабеният аудио сигнал ще надхвърли нивото на собствения (предимно топлинен) шум на приемника. Дори при липса на външни акустични смущения, това е необходимо условие за контрол на звука на значително разстояние от източника;
- висока насоченост като гаранция, че отслабеният звуков сигнал ще превиши нивото на остатъчниявъншна намеса. Високата насоченост се отнася до способността да се потискат външни акустични смущения от посоки, които не съвпадат с посоката към източника на звук. Да се спазят напълно тези изисквания на практика (за един микрофон) е изключително трудна задача. Решаването на определени проблеми стана по-реалистично, например създаването на ниско насочен микрофон с висока чувствителност или, обратно, създаването на силно насочен микрофон с ниска чувствителност, което доведе до различни видове насочени микрофони.
2. Видове насочени микрофони.
Има поне четири вида насочени микрофони:
- параболичен; - плоски акустични фазирани решетки; - тръбни или "пътуващи" вълнови микрофони; - градиент.
Параболичният микрофоне параболичен звуков рефлектор с конвенционален (ненасочен) микрофон във фокуса. Рефлекторът е направен както от оптически непрозрачен, така и от прозрачен (например акрилна пластмаса) материал.
Стойността на външния диаметър на параболичното огледало може да бъде от 200 до 500 мм. Принципът на работа на този микрофон е илюстриран на фиг. 1. Звуковите вълни от аксиална посока, отразени от параболично огледало, се сумират във фаза във фокусна точка А. Има усилване на звуковото поле. Колкото по-голям е диаметърът на огледалото, толкова повече усилване може да осигури устройството. Ако посоката на пристигането на звука не е аксиална, тогава добавянето на звуковите вълни, отразени от различни части на параболичното огледало, достигащи до точка А, ще даде по-малък резултат, тъй като не всички членове ще бъдат във фаза. Затихването е толкова по-силно, колкото по-голям е ъгълът на пристигане на звука спрямо оста.Така се създава ъгловата селективност за приемане. Параболичният микрофон е типичен пример за високочувствителен, но слабо насочен микрофон.
Плоските фазирани решеткиреализират идеята за едновременно приемане на звуковото поле в отделни точки на определена равнина, перпендикулярна на посоката към източника на звук (фиг. 2). В тези точки (A1, A2,A3.) се поставят или микрофони, чиито изходни сигнали се сумират електрически, или най-често отворени краища на звуководи, например тръби с достатъчно малък диаметър, които осигуряват синфазно добавяне на звукови пожари от източник в някакъв акустичен разширител.
Тръбни микрофони или "пътуващи" вълнови микрофони,за разлика от параболичните микрофони и плоските акустични
решетките получават звук не в равнина, а по определена линия, съвпадаща с посоката към източника на звук. Принципът на тяхното действие е илюстриран на фиг. 3.
Основата на микрофона е звуков водач под формата на твърда куха тръба с диаметър 10-30 мм със специални прорези, разположени в редове по цялата дължина на звуковода, с кръгова геометрия на разположение за всеки от редовете. Очевидно, когато звукът се приема от аксиална посока, ще има добавяне във фаза на сигналите, проникващи в звуковода през всички прорези, тъй като скоростите на аксиално разпространение на звука извън тръбата и вътре в нея са еднакви. Когато звукът достига под определен ъгъл спрямо оста на микрофона, това води до фазово несъответствие, тъй като скоростта на звука в тръбата ще бъде по-голяма от аксиалния компонент на скоростта на звука извън нея, в резултат на което чувствителността на приемане намалява. Обикновенодължината на тръбния микрофон е от 15-230 мм до 1 м. Колкото по-голяма е дължината му, толкова повече смущения от странични и задни посоки се потискат.
Градиентни микрофони от висок порядъкпочти не съществуват на свободния пазар. Изключение прави градиентният микрофон от първи ред.
За разлика от фазираните приемни акустични решетки, които използват операцията за добавяне на акустични сигнали, градиентните микрофони се основават на операцията за изваждане в посоката на пристигането на сигнала. Това ги поставя априори в неизгодно положение по отношение на праговата чувствителност, тъй като всяко изваждане отслабва сигнала, но статистически сумира вътрешния шум. В същото време самата операция на изваждане прави възможно проектирането на насочени системи с малки размери. Най-простият градиентно насочен микрофон е микрофон, който реализира градиент от първи ред (фиг. 4).
Състои се от два сравнително миниатюрни и близко разположени високочувствителни микрофона M1 и M2, чиито изходни сигнали се изваждат електрически (или акустично) един от друг, реализирайки първата производна на звуковото поле по оста на микрофона в крайни разлики и образувайки диаграма от формата cos Q, където Q е ъгълът на пристигане на звука. Това осигурява относителното затихване на акустичните полета от страничните посоки (0 - 90°). Градиентните микрофони от висок порядък са системи, които реализират пространствени производни от 2-ри, 3-ти и по-високи порядъци.
3. Как да сравним и оценим насочените микрофони?
Основната потребителска характеристика на насочените микрофони е техният обхват при специфични условия. За открито пространство и изотропно и независимов ъгловите посоки на външни акустични смущения диапазонът R е свързан:
а) със спектрално съотношение сигнал/шум q на изхода на насочен микрофон,
б) със спектралното ниво на речтаВр;
в) със спектралното ниво на външна акустична интерференцияVshчрез съотношението на формата:
G- така наречената насоченост на микрофона (dB),
Vp- прагова акустична чувствителност на микрофона (dB).
Коефициентът на насоченост G, включен във формула (1), характеризира степента на относително потискане на външни акустични смущения: колкото по-голям е той, толкова по-силно е това потискане. Теоретично той е свързан с нормализирания микрофонен моделF (Q, j )чрез връзката на формата:
Q- ъгъл на пристигане на звуковата вълна спрямо оста на микрофона;
j- ъгъл на пристигане на звукова вълна в полярните координати на равнината,
перпендикулярна ос. Например за тръбен микрофон, когато
къдетоlе дължината на вълната на звука. иLе дължината на тръбата, имаме (за L ? l.):
По подобен начин се извежда приблизителна формула за коефициента на насоченост на параболичните микрофони и фазираните плоски решетки:
G = 4 p (S/l 2 ) (5)
къдетоSе площта на входната бленда;l.-дължината на вълната на звука. За градиентни микрофони от n-ти ред
с оптимална обработка на сигнала
къдетоnе редът на градиента. За известни стойности наGформула (1) е достатъчна за получаване на абсолютни оценки на очакваното спектрално съотношение сигнал/шум, ако условията са известни. Но в много случаи знанието за тези условия е неточно. Следователно е по-оправдано да се използват не абсолютни, а относителни оценки на диапазона, т.кне изисква точно познаване на условието, тъй като сравнението се извършва, когато те са равни. Приемайки такава идеология, нека сравним възможностите на насочените микрофони с възможностите на човешкия слух, който не е въоръжен със специални устройства. Формално можем да напишем отношение, подобно на (1) за него. В резултат на сравнението получаваме:
ТукR0е диапазонът на чуваемост на звука от ухото;
R- обхват на насочен микрофон със същото качество на управление.
Go- коефициент на насочено действие на човешкия слухов орган (биноурален режим на слушане).
D Bp - разликата между праговата чувствителност на насочения микрофон и органа на слуха. На фиг. 5 показва графика на относителния обхватR/Roна насочен микрофон като функция на неговия коефициент на насоченостGза случая, когатоD Bp = O(технически осъществим вариант). КоефициентътGoна насоченото действие на слуховия орган от човек се приема равен на 6 dB.
От графиката може да се види, че приG = 15 dB(тази стойност наGприблизително съответства на данните за повечето сравнително добри микрофони с фазова решетка и параболичен тип)насоченият микрофон ще позволи реализирането на обхват на наблюдение приблизително 3 пъти по-голям от разстояниетоRo, на което звукът се възприема от човек без специални устройства. Сравнението се извършва при едни и същи условия за един и същ източник на звук. На практика този резултат означава следното: ако говорим за акустичен контрол на разговори в града, на улицата, когатоR0= 2 - 4 м, тогава насочените микрофони ще ви позволят да записвате разговор на разстояния от 6-12 м. В крайградски условия, с по-ниско ниво на смущения, когато стойносттаRoдостигат 10 m или повече, обхватът на контрол с помощта на технически средства може да бъде повече от 30 m.
Това са оценките на ситуациите на използване на насочени микрофони в условия на открито пространство. Но също така е възможно да се използват насочени микрофони на закрито, за което е необходимо да се вземе предвид реверберацията, т.е. отраженията на звуковите сигнали от стените на помещенията и интериорните предмети.
Формално, при тези условия, съотношението (7) остава валидно, ако вместоGизползваме намаления коефициент на посокаG 0:
къдетоR- някакъв параметър, който отчита площта на обема (така нареченото акустично съотношение) .
4. Мислейки за бъдещето
Говорейки за бъдещето на тази специална индустрия, има поне три посоки за възможно подобряване на насочените микрофони. От една страна, трябва да се очаква (по аналогия с адаптивното времево филтриране) появата на устройства, способни на адаптивно пространствено-времево филтриране на акустичен шум. Обективната основа на такива устройства са постиженията в областта на цифровата многоканална обработка на данни. Втората възможност за подобряване на насочените микрофони е свързана с напредъка в областта на високочувствителните акустични сензори, което основно позволява създаването на микрофони с прагова чувствителност от минус 10 - минус 15 dB и максимален обхват на управление при липса на външен шум. И накрая, не може да се изключи появата на принципно нови насочени микрофони, които използват нелинейни и параметрични ефекти за прилагане на органолептични ефекти.скрити антени с голям размер и способни да осигурят HF. 20-25 dB или повече.