Micrófonos direccionales: mitos y realidad. Abalmazov E.I..
Micrófonos direccionales: mitos y realidad.
Abalmazov Eduard Ivanovich, Doctor en Ciencias Técnicas, Profesor
El artículo está reimpreso del revista «Sistemas de Seguridad» » nº 4 1996
Hay todo tipo de rumores sobre las capacidades de los micrófonos direccionales. Algunos creen sinceramente en su largo alcance, llamando a distancias de 100, 200 o más metros, otros, por el contrario, creen que hay publicidad injustificada que raya en la desinformación. Intentemos descubrir la situación real mediante cálculos matemáticos sencillos.
En lugar de introducción
Hablando de micrófonos direccionales nos referimos principalmente a situaciones de monitorización acústica de fuentes sonoras al aire libre, en las que se pueden despreciar los efectos de la llamada reverberación de los paneles acústicos. Para tales situaciones, el factor decisivo es la distancia entre la fuente de sonido y el micrófono direccional, lo que conduce a un debilitamiento significativo del nivel del campo sonoro controlado.(Además, a gran distancia, la atenuación del sonido se vuelve notable debido a la destrucción de la coherencia espacial del campo, debido a la presencia de disipadores de energía naturales, por ejemplo, turbulencias atmosféricas de mediana y gran escala que crean perturbaciones del viento).
Entonces, a una distancia de 100 m, la presión del sonido se debilita en al menos 40 dB (en comparación con una distancia de 1 m), y luego el volumen de una conversación normal de 60 dB no será más de 20 dB en la recepción. punto. Esta presión es significativamente menor no sólo que el nivel de interferencia acústica externa real, sino también el umbral de sensibilidad acústica de los micrófonos convencionales. Entonces, a diferencia de los micrófonos normales, los micrófonos direccionales deben tener:
— sensibilidad acústica de umbral alto como garantía de que la señal de audio atenuada superará el nivel del ruido propio (principalmente térmico) del receptor. Incluso en ausencia de interferencias acústicas externas, ésta es una condición necesaria para el control del sonido a una distancia considerable de la fuente;
— alta direccionalidad de acción como garantía de que la señal de audio debilitada excederá el nivel de interferencia externa residual. Se entiende por alta direccionalidad la capacidad de suprimir interferencias acústicas externas provenientes de direcciones que no coinciden con la dirección de la fuente sonora. Cumplir estos requisitos en su totalidad en la práctica (para un micrófono) — la tarea es extremadamente difícil. Se volvió más realista resolver problemas particulares, por ejemplo, crear un micrófono de baja dirección con alta sensibilidad o, por el contrario, crear un micrófono de alta dirección con baja sensibilidad, lo que condujo a una variedad de tipos de micrófonos direccionales.
2. Tipos de micrófonos direccionales
Existen al menos cuatro tipos de micrófonos direccionales:
— parabólico;
— matrices acústicas planas en fase;
— micrófonos tubulares o «corrientes» ondas;
— gradiente.
Un micrófono parabólico es un reflector de sonido de forma parabólica, en cuyo foco se encuentra un micrófono normal (omnidireccional). El reflector está hecho de material ópticamente opaco y transparente (por ejemplo, plástico acrílico).
Arroz. 1 micrófono parabólico.
El diámetro exterior de un espejo parabólico puede oscilar entre 200 y 500 mm. El principio de funcionamiento de este micrófono se explica en la Fig. 1. Las ondas sonoras de la dirección axial, reflejadas en un espejo parabólico, se resumen en fase en el punto focal A. Se produce una amplificación del campo sonoro. Cuanto mayor sea el diámetro del espejo, mayor será la ganancia que podrá proporcionar el dispositivo. Si la dirección de llegada del sonido no es axial, entonces la suma de ondas sonoras reflejadas desde varias partes de un espejo parabólico que llegan al punto A dará un resultado menor, ya que no todos los términos estarán en fase. Cuanto mayor sea el ángulo de llegada del sonido con respecto al eje, mayor será la atenuación. De este modo se crea una selectividad angular en la recepción. Un micrófono parabólico es un ejemplo típico de micrófono altamente sensible pero de baja dirección.
Arreglos en fase planos implementar la idea de recepción simultánea de un campo de sonido en puntos discretos de un determinado plano perpendicular a la dirección de la fuente de sonido (Fig. 2). En estos puntos (A1, A2,A3…) se colocan micrófonos cuyas señales de salida se suman eléctricamente o, más a menudo, los extremos abiertos de guías de sonido, por ejemplo, tubos. de un diámetro suficientemente pequeño que proporcione señales de sonido de adición en fase desde una fuente en algún sumador acústico.
Un micrófono está conectado a la salida del sumador. Si el sonido proviene de la dirección axial, entonces todas las señales que se propagan a lo largo del sonido-agua estarán en fase y la suma en el sumador acústico dará el máximo resultado. Si la dirección a la fuente de sonido no es axial, sino en un cierto ángulo con respecto al eje, entonces las señales de diferentes puntos del plano receptor serán diferentes en fase y el resultado de su suma será menor. Cuanto mayor sea el ángulo de llegada del sonido, mayor será su atenuación. Normalmente, el número de puntos receptores Ai en tales conjuntos es de varias decenas. Las matrices en fase estructuralmente planas se integran en la pared frontal del maletín con camuflaje posterior o en un chaleco, que se usa debajo de una chaqueta o camisa. Los componentes electrónicos necesarios (amplificador, baterías, grabadora) se encuentran en un estuche o debajo de la ropa. Por lo tanto, los arreglos en fase planos con camuflaje son visualmente más discretos en comparación con un micrófono parabólico.
Micrófonos tubulares o «corriendo» las ondas, a diferencia de los micrófonos parabólicos y las rejillas acústicas planas
, reciben el sonido no en un plano, sino a lo largo de una determinada línea que coincide con la dirección hacia la fuente del sonido. El principio de su funcionamiento se ilustra en la Fig. 3.
Arroz. 3 Micrófono tubular.
La base del micrófono es una guía de sonido en forma de un tubo hueco rígido con un diámetro de 10-30 mm con orificios ranurados especiales colocados en filas a lo largo de toda la guía de sonido, con una geometría circular para cada una de las filas. . Es obvio que al recibir sonido desde la dirección axial, habrá una suma en fase de las señales que penetran en la guía de sonido a través de todos los orificios de las ranuras, ya que las velocidades de propagación axial del sonido dentro y fuera del tubo son las mismas. . Cuando el sonido llega en un cierto ángulo con respecto al eje del micrófono, esto provoca un desajuste de fase, ya que la velocidad del sonido en el tubo será mayor que el componente axial de la velocidad del sonido fuera de él, como resultado de lo cual la recepción la sensibilidad disminuye. Normalmente, la longitud de un micrófono tubular oscila entre 15 y 230 mm y 1 m. Cuanto mayor sea su longitud, mayor será la supresión de las interferencias procedentes de las direcciones lateral y trasera.
Micrófonos degradados de alto orden Prácticamente no hay ofertas abiertas en el mercado. La excepción es el micrófono degradado de primer orden.
A diferencia de los conjuntos acústicos de recepción en fase, que utilizan la operación de suma de señales acústicas, los micrófonos de gradiente se basan en la operación de resta en la dirección de llegada de la señal. Esto los coloca a priori en desventaja en cuanto a sensibilidad umbral, ya que cada resta debilita la señal pero estadísticamente suma el ruido interno. Al mismo tiempo, la propia operación de resta permite construir sistemas dirigidos de pequeño tamaño. El micrófono direccional de gradiente más simple es un micrófono que implementa un gradiente de primer orden (Fig. 4).
Fig. 4 El micrófono degradado más simple.
Consta de dos micrófonos M1 y M2 de alta sensibilidad, bastante en miniatura y muy próximos entre sí, cuyas señales de salida se restan eléctrica (o acústicamente) entre sí, realizando en diferencias finitas la primera derivada del campo sonoro a lo largo del eje del micrófono y formando un diagrama de la forma cos Q, donde Q — ; ángulo de llegada del sonido. Esto garantiza un debilitamiento relativo de los campos acústicos desde direcciones laterales (O — 90°). Los micrófonos de gradiente de alto orden son sistemas que implementan derivadas espaciales de segundo, tercer orden y superiores.
3. ¿Cómo comparar y evaluar micrófonos direccionales? La principal característica de usuario de los micrófonos direccionales es su alcance en condiciones específicas. Para espacios abiertos e interferencia acústica externa que es isotrópica e independiente en direcciones angulares, el rango R está relacionado con:
a) con la relación señal-interferencia espectral q a la salida de un micrófono direccional,
b) con el nivel de voz espectral Vr;
c) con el nivel espectral de interferencia acústica externa relación Vsh de la forma:
q=Bp-Bsh-20 lg R+G-Bp (1)
donde
G & #8212; el llamado coeficiente de directividad del micrófono (dB),
Vp — umbral de sensibilidad acústica del micrófono (dB).
El coeficiente direccional G incluido en la fórmula (1) caracteriza el grado de supresión relativa de la interferencia acústica externa: cuanto mayor es, más fuerte es esta supresión. Teóricamente, está relacionado con el patrón polar normalizado del micrófonoF (Q,j ) una relación de la forma:
donde
Q — ángulo de llegada de la onda sonora con respecto al eje del micrófono;
j — el ángulo de llegada de la onda sonora en las coordenadas polares del plano
perpendicular al eje. Por ejemplo, para un micrófono de tubo, cuando
donde l es la longitud de onda del sonido. y L — longitud del tubo, tenemos (en L ? l . ):
G = 4 L/l. (4)
De manera similar, se deriva una fórmula aproximada para el coeficiente de directividad de micrófonos parabólicos y sistemas planos en fase:
G = 4p (S/l 2) (5)
donde S — área de apertura de entrada; l .- longitud de onda del sonido. Para micrófonos gradientes de enésimo orden
con procesamiento de señal óptimo
G=n (n+1) (6)
donde n — orden de gradiente. Para valores conocidos de GLa fórmula (1) es suficiente para obtener estimaciones absolutas de la relación señal-interferencia espectral esperada si se conocen las condiciones. Pero en muchos casos, el conocimiento de estas condiciones es inexacto. Por lo tanto, está más justificado utilizar estimaciones de rango no absolutas, sino relativas, ya que no requieren un conocimiento exacto de las condiciones, ya que la comparación se produce cuando son iguales. Aceptando esta ideología, comparemos las capacidades de los micrófonos direccionales con las capacidades del oído humano sin dispositivos especiales. Formalmente, se puede escribir una relación similar a (1). Como resultado de la comparación obtenemos:
R=R0 x 10 0,05 (G-G0) – 0,005 D Pb (7)
Aquí R0 — rango de audibilidad del sonido por parte del órgano auditivo;
R— alcance de un micrófono direccional con la misma calidad de control.
Ir — coeficiente direccional del órgano auditivo humano (modo de escucha biural).
D Bп — la diferencia en el umbral de sensibilidad del micrófono direccional y el órgano auditivo. En la figura. La Figura 5 muestra una gráfica del rango relativo R/Ro de un micrófono direccional en función de su coeficiente direccional G para el caso en que D Bп = О(la opción es técnicamente viable). Se supone que el coeficiente Go de la acción direccional del órgano auditivo humano es de 6 dB.
El gráfico muestra que a G = 15 dB (este valor de G corresponde aproximadamente a los datos de la mayoría de los micrófonos bastante buenos, como arrays en fase y tipo parabólico)un micrófono direccional le permitirá realizar un rango de control aproximadamente 3 veces mayor que la distanciaRo, en el que el sonido es percibido por una persona sin dispositivos especiales. La comparación se realiza en las mismas condiciones para la misma fuente sonora. En la práctica, este resultado significa lo siguiente: si hablamos del control acústico de las conversaciones en la ciudad, en la calle, cuando R0 = 2 — 4 m, los micrófonos direccionales le permitirán grabar una conversación a distancias de 6 a 12 m en condiciones suburbanas, con menos interferencias, cuando el valor de Ro.puede alcanzar 10 mo más, el rango de control utilizando medios técnicos puede ser más de 30 m
Fig. 5. El rango de acción de un micrófono direccional R comparado
con el rango R de audibilidad del sonido mediante un órgano auditivo no equipado.
Se trata de evaluaciones de situaciones en las que se utilizan micrófonos direccionales en condiciones de espacios abiertos. Pero también es posible utilizar micrófonos direccionales en espacios cerrados, para lo cual es necesario tener en cuenta la reverberación, es decir, los reflejos de las señales sonoras en las paredes de las habitaciones y elementos interiores.
Formalmente, bajo estas condiciones, la relación (7) sigue siendo válida si en lugar de G utilizamos el coeficiente direccional reducido G0:
G0=(G+R)/(1+R) (8)
donde R — algún parámetro que tenga en cuenta la superficie del volumen (la llamada relación acústica).
4. Pensando en el futuro
Hablando del futuro de esta industria tan especial, podemos destacar al menos tres áreas de posible mejora de los micrófonos direccionales. Por un lado, deberíamos esperar (por analogía con el filtrado temporal adaptativo) la aparición de dispositivos capaces de realizar un filtrado espaciotemporal adaptativo de la interferencia acústica. La base objetiva de tales dispositivos son los logros en el campo del procesamiento de datos digitales multicanal. La segunda oportunidad para mejorar los micrófonos direccionales está asociada con los avances en el campo de los sensores acústicos de alta sensibilidad, que fundamentalmente permiten crear micrófonos con un umbral de sensibilidad de menos 10 — menos 15 dB y un rango de control máximo en ausencia de ruido externo. . Y finalmente, no podemos excluir la aparición de micrófonos direccionales fundamentalmente nuevos que utilizan efectos paramétricos y no lineales para implementar antenas encubiertas organolépticas de gran tamaño y capaces de proporcionar c.n.d. 20-25 dB o más.
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