Спрямовані мікрофони-міфи та реальність
Спрямовані мікрофони: міфи та реальність.
Абалмазов Едуард Іванович, доктор технічних наук, професор
Статтю передруковано з журналу «Системи Безпеки» №4 1996 р.
Замість введення
Говорячи про спрямовані мікрофони, передбачають передусім ситуацію акустичного контролю джерел звуків на відкритому повітрі, коли ефектів так званої реверберації акустичних пален можна знехтувати. Для таких ситуацій вирішальним фактором виявляється віддаленість джерела звуку від спрямованого мікрофона, що призводить до значного послаблення рівня контрольованого звукового поля (крім того, при великій дистанції стає помітним послаблення звуку через руйнування просторової когерентності поля, внаслідок наявності природних розсіювачів енергії, наприклад середньо-і великомасштабних турбулентностей атмосфери, що створюють перешкоди під час вітру).
Так, на дистанції 100 м тиск звуку послаблюється на величину не менше 40 дБ (порівняно з дистанцією 1 м), і тоді рівень гучності звичайної розмови в 60 дБ опиниться в точці прийому не більше 20 дБ. Такий тиск істотно менший не тільки за рівень реальних зовнішніх акустичних перешкод, а й про порогову акустичну чутливість звичайних мікрофонів. Отже, на відміну від звичайних, спрямовані мікрофони повинні мати:
- Високу порогову акустичну чутливість як гарантію того, що ослаблений звуковий сигнал перевищить рівень власних (в основному теплових) шумів приймача. Навіть за відсутності зовнішніх акустичних перешкод це є необхідною умовою контролю звуку на значній відстані від джерела;
- високу спрямованість дії як гарантію того, що ослаблений звуковий сигнал перевищить рівень залишковихзовнішніх перешкод. Під високою спрямованістю дії розуміється здатність придушувати зовнішні акустичні перешкоди з напрямів, які збігаються з напрямом джерело звуку. Дотриматися цих вимог у повному обсязі на практиці (для одного мікрофона) - завдання виключно складне. Більш реальним стало вирішення приватних завдань, наприклад, створення слабоспрямованого мікрофона з високою чутливістю або, навпаки, створення високоспрямованого мікрофона з малою чутливістю, що призвело до різноманітності видів спрямованих мікрофонів.
2. Види спрямованих мікрофонів.
Існує щонайменше чотири види спрямованих мікрофонів:
- Параболічні; - плоскі акустичні фазовані ґрати; - трубчасті, або мікрофони хвилі, що "біжить"; - градієнтні.
Параболічний мікрофонє відбивачем звуку параболічної форми, у фокусі якого розташований звичайний (ненаправлений) мікрофон. Відбивач виготовляється як із оптично непрозорого, так і прозорого (наприклад, акрилова пластмаса) матеріалу.
Розмір зовнішнього діаметра параболічного дзеркала може бути від 200 до 500 мм. Принцип роботи цього мікрофона пояснюється рис. 1. Звукові хвилі з осьового напрямку, відбиваючись від параболічного дзеркала, підсумовуються у фазі у фокальній точці А. Виникає посилення звукового поля. Чим більший діаметр дзеркала, тим більше посилення може забезпечити пристрій. Якщо напрям приходу звуку не осьовий, то додавання відбитих від різних частин параболічного дзеркала звукових хвиль, що приходять в точку А, дасть менший результат, оскільки не всі складові будуть у фазі. Ослаблення тим більше, що більше кут приходу звуку стосовно осі.Створюється, таким чином, кутова вибірковість прийому. Параболічний мікрофон є типовим прикладом високочутливого, але слабко спрямованого мікрофона.
Плоскі фазовані решіткиреалізують ідею одночасного прийому звукового поля в дискретних точках деякої площини, перпендикулярної до напряму джерело звуку (рис. 2). У цих точках (А1, А2,А3. ) розміщуються або мікрофони, вихідні сигнали яких сумуються електрично, або, і найчастіше, відкриті торці звуководів, наприклад трубки досить малого діаметра, які забезпечують синфазне складання звукових палень від джерела у деякому акустичному суматорі.
Трубчасті мікрофони, або мікрофони "біжучої" хвилі,на відміну від параболічних мікрофонів і плоских акустичних
грат, приймають звук не так на площині, а вздовж деякої лінії, що збігається з напрямом джерело звуку. Принцип їхньої дії пояснюється рис. 3.
Основою мікрофона є звуковод у вигляді жорсткої порожнистої трубки діаметром 10-30 мм із спеціальними щілинними отворами, розміщеними рядами по всій довжині звуководу, з круговою геометрією розташування для кожного з рядів. Очевидно, що при прийомі звуку з осьового напрямку відбуватиметься додавання у фазі сигналів, що проникають у звуковод через всі щілинні отвори, оскільки швидкості осьового поширення звуку поза трубкою і всередині неї однакові. Коли ж звук приходить під деяким кутом до осі мікрофона, то це веде до фазового неузгодженості, так як швидкість звуку в трубці буде більшою за осьову складову швидкості звуку поза нею, внаслідок чого знижується чутливість прийому. Зазвичайдовжина трубчастого мікрофона від 15-230 мм до 1 м. Чим більша його довжина, тим сильніше придушуються перешкоди з бокових та тильних напрямків.
Градієнтні мікрофони високих порядківна ринку відкритих пропозицій практично не представлені. Винятком є градієнтний мікрофон першого порядку.
На відміну від фазованих приймальних акустичних решіток, що використовують операцію додавання акустичних сигналів, градієнтні мікрофони засновані на операції віднімання у напрямку приходу сигналу. Це ставить їх апріорі в невигідне становище порогової чутливості, оскільки кожне віднімання послаблює сигнал, але статистично підсумовує внутрішні перешкоди. У той самий час як така операція віднімання дозволяє конструювати спрямовані системи малих розмірів. Найпростішим градієнтним спрямованим мікрофоном є мікрофон, що реалізує градієнт першого порядку (рис. 4).
Він являє собою два досить мініатюрних і близьких високочутливих мікрофона М1 і М2, вихідні сигнали яких електрично (або акустично) віднімаються один з одного, реалізуючи в кінцевих різницях першу похідну звукового поля по осі мікрофона і формуючи діаграму виду cos Q, де Q - кут приходу звуку. Тим самим забезпечується відносне ослаблення акустичних полів з бокових напрямків (О – 90°). Градієнтними мікрофонами високих порядків називають системи, що реалізують просторові похідні 2-го, З-го та старших порядків.
3. Як порівнювати та оцінювати спрямовані мікрофони?
Основною користувальницькою характеристикою спрямованих мікрофонів є дальність їхньої дії в конкретних умовах. Для відкритого простору та ізотропних та незалежнихза кутовими напрямками зовнішніх акустичних перешкод дальність дії R пов'язана:
а) зі спектральним ставленням сигнал/перешкода q на виході спрямованого мікрофона,
б) із спектральним рівнем мовиВр;
в) зі спектральним рівнем зовнішніх акустичних перешкодВшспіввідношенням виду:
G- так званий коефіцієнт спрямованої дії мікрофона (дБ),
Вп- гранична акустична чутливість мікрофона (дБ).
Коефіцієнт G спрямованої дії, що входить у формулу (1), характеризує ступінь відносного придушення зовнішніх акустичних перешкод: чим він більший, тим сильніше це придушення. Теоретично він пов'язаний із нормованою діаграмою спрямованості мікрофонаF (Q, j )співвідношенням виду:
Q- кут приходу звукової хвилі стосовно осі мікрофона;
j- кут приходу звукової хвилі в полярних координатах площини,
перпендикулярної осі. Наприклад, для трубчастого мікрофона, коли
деl-довжина хвилі звуку. аL- довжина трубки, маємо ( при L ? l.) :
Аналогічно виводиться наближена формула для коефіцієнта спрямованої дії параболічних мікрофонів та фазованих плоских ґрат:
G = 4 p (S/l 2 ) (5)
деS- площа вхідної апертури;l.-довжина хвилі звуку. Для градієнтних мікрофонів n-го порядку
при оптимальній обробці сигналів
деn- порядок градієнта. При відомих значеннях величиниGформула (1) є достатньою для отримання абсолютних оцінок очікуваного спектрального відношення сигнал/перешкода, якщо відомі умови. Але у багатьох випадках знання цих умов бувають неточними. Тому виправданіше використовувати не абсолютні, а відносні оцінки дальності, якне вимагають точних знання умови, оскільки зіставлення відбувається за їх рівності. Приймаючи таку ідеологію, порівняємо можливості спрямованих мікрофонів із можливостями не озброєного спеціальними пристроями людського слуху. Формально йому можна записати співвідношення, аналогічне (1). В результаті порівняння отримаємо:
ТутR0- дальність чутності звуку органом слуху;
R- дальність дії спрямованого мікрофона з тією самою якістю контролю.
Go- коефіцієнт спрямованої дії органу слуху людини (режим біноурального прослуховування).
D Bп - різниця порогової чутливості спрямованого мікрофона та органу слуху. На рис. 5 представлений графік залежності відносної дальності діїR/Roспрямованого мікрофона як функції його коефіцієнта спрямованої діїGдля випадку, колиD Bп = О(варіант технічно реалізуємо) . КоефіцієнтGoспрямованого дії органу слуху людиною прийнятий рівним 6 дБ.
З графіка видно, що приG = 15 дБ(таке значенняGприблизно відповідає даним для більшості досить хороших мікрофонів типу фазованих решіток та параболічного типу)спрямований мікрофон дозволить реалізувати дальність контролю приблизно 3 разу більшу, ніж відстаньRo, у якому звук сприймається людиною без спеціальних пристосувань. Зіставлення проводиться в однакових умовах для одного й того самого джерела звуку. Практично цей результат означає наступне: якщо йдеться про акустичний контроль розмов у місті, на вулиці, коли R0 = 2 - 4 м, то спрямовані мікрофони дозволять реєструвати розмову на відстанях 6-12 м. У заміських умовах, з меншим рівнем перешкод, коли величинаRoможедосягати 10 м і більше, дальність контролю з використанням технічних засобів може становити понад 30 м.
Такими є оцінки ситуацій використання спрямованих мікрофонів в умовах відкритого простору. Але можливе застосування спрямованих мікрофонів і в закритих приміщеннях, для яких є обов'язковим облік реверберації, тобто відображень звукових сигналів від стін приміщень і предметів інтер'єру.
Формально в цих умовах співвідношення (7) залишається справедливим, якщо замістьGвикористовувати наведений коефіцієнт спрямованої діїG 0:
деR- деякий параметр, що враховує площу поверхні обсягу (так зване акустичне відношення).
4. Розмірковуючи про майбутнє
Говорячи про майбутнє цієї спеціальної галузі можна назвати принаймні три напрями можливого вдосконалення спрямованих мікрофонів. G однієї сторони слід очікувати (за аналогією з адаптивною тимчасовою фільтрацією) появи приладів, здатних до адаптивної просторово-часової фільтрації акустичних перешкод. Об'єктивною основою таких приладів є досягнення цифрової багатоканальної обробки даних. Друга можливість вдосконалення спрямованих мікрофонів пов'язана з прогресом з області високочутливих акустичних сенсорів, що дозволяє створювати мікрофони з порогової чутливістю мінус 10 - мінус 15 дБ і граничною дальністю контролю за відсутності зовнішнього шуму. І, нарешті, не можна виключити появи принципово нових спрямованих мікрофонів, які використовують нелінійні та параметричні ефекти для реалізації органолептичних.потайливих антен великого розміру і здатних забезпечувати к.н.д. 20-25 дБ та більше.