Направленные микрофоны-мифы и реальность. Абалмазов Э.И..
Направленные микрофоны: мифы и реальность.
Абалмазов Эдуард Иванович, доктор технических наук, профессор
Статья перепечатана из журнала «Системы Безопасности» №4 1996 г.
О возможностях направленных микрофонов ходят самые разные слухи. Одни искренне верят в их большое дальнодействие, называя дистанции 100, 200 и более метров, другие, наоборот, считают, что имеет место неоправданная реклама, граничащая с дезинформацией. попробуем с помощью несложных математических расчетов выяснить реальное положение вещей.
Вместо введения
Говоря о направленных микрофонах, подразумевают прежде всего ситуации акустического контроля источников звуков на открытом воздухе, когда эффектами так называемой реверберации акустических пален можно пренебречь. Для таких ситуаций решающим фактором оказывается удаленность источника звука от направленного микрофона, что приводит к значительному ослаблению уровня контролируемого звукового поля (Кроме того при большой дистанции становится заметным ослабление звука из-за разрушения пространственной когерентности поля, вследствие наличия естественных рассеивателей энергии, например средне- и крупномасштабных турбулентностей атмосферы, создающих помехи при ветре).
Так, на дистанции 100 м давление звука ослабляется на величину не менее 40 дБ (по сравнению с дистанцией 1 м), и тогда степень громкости обычного разговора в 60 дБ окажется в точке приема не более 20 дБ. Такое давление существенно меньше не только уровня реальных внешних акустических помех, но и пороговой акустической чувствительности обычных микрофонов. Итак, в отличие от обычных, направленные микрофоны должны иметь:
— высокую пороговую акустическую чувствительность как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень собственных (в основном тепловых) шумов приемника. Даже при отсутствии внешних акустических помех это является необходимым условием контроля звука на значительном расстоянии от источника;
— высокую направленность действия как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень остаточных внешних помех. Под высокой направленностью действия понимается способность подавлять внешние акустические помехи с направлений, не совпадающих с направлением на источник звука. Соблюсти эти требования в полном объеме на практике (для одного микрофона) — задача исключительно сложная. Более реальным стало решение частных задач, например создание слабонаправленного микрофона с высокой чувствительностью или, наоборот, создание высоконаправленного микрофона с малой чувствительностью, что привело к разнообразию видов направленных микрофонов.
2. Виды направленных микрофонов.
Существует по меньшей мере четыре вида направленных микрофонов:
— параболические;
— плоские акустические фазированные решетки;
— трубчатые, или микрофоны «бегущей» волны;
— градиентные.
Параболический микрофон представляет собой отражатель звука параболической формы, в фокусе которого расположен обычный (ненаправленный) микрофон. Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного (например, акриловая пластмасса) материала.
Рис. 1 Параболический микрофон.
Величина внешнего диаметра параболического зеркала может быть от 200 до 500 мм. Принцип работы этого микрофона поясняется на рис. 1. Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в фокальной точке А. Возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн, приходящих в точку А, даст меньший результат, поскольку не все слагаемые будут в фазе. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Создается, таким образом, угловая избирательность по приему. Параболический микрофон является типичным примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона.
Плоские фазированные решетки реализуют идею одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука (рис. 2). В этих точках (А1, А2, А3…) размещаются либо микрофоны, выходные сигналы которых суммируются электрически, либо, и чаще всего, открытые торцы звуководов, например трубки достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых пален от источника в некотором акустическом сумматоре.
Рис. 2 Плоская фазированная решетка.
К выходу сумматора подсоединен микрофон. Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звука- водам, 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 будет меньшим. Чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление. Обычно число приемных точек Аi в таких решетках составляет несколько десятков. Конструктивно плоские фазированные решетки встраиваются либо в переднюю стенку атташе-кейса с последующим камуфляжем, либо в майку-жилет, которая надевается под пиджак или рубашку. Необходимые электронные блоки (усилитель, элементы питания, магнитофон) располагаются соответственно либо в кейсе, либо под одеждой. Таким образом, плоские фазированные решетки с камуфляжем визуально более конспиративны по сравнению с параболическим микрофоном.
Трубчатые микрофоны, или микрофоны «бегущей» волны, в отличие от параболических микрофонов и плоских акустических
решеток, принимают звук не на плоскости, а вдоль некоторой линии, совпадающей с направлением на источник звука. Принцип их действия поясняется на рис. 3.
Рис. 3 Трубчатый микрофон.
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. Очевидно, что 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. Когда же 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, вследствие чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона от 15-230 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений.
Градиентные микрофоны высоких порядков на рынке открытых предложений практически не представлены. Исключением является градиентный микрофон первого порядка.
В отличие от фазированных приемных акустических решеток, использующих операцию сложения акустических сигналов, градиентные микрофоны основаны на операции вычитания по направлению прихода сигнала. Это ставит их априори в невыгодное положение по пороговой чувствительности, поскольку каждое вычитание ослабляет сигнал, но статистически суммирует внутренние помехи. В то же время сама по себе операция вычитания позволяет конструировать направленные системы малых размеров. Простейшим градиентным направленным микрофоном является микрофон, реализующий градиент первого порядка (рис. 4).
Рис. 4 Простейший градиентный микрофон.
Он представляет собой два достаточно миниатюрных и близкорасположенных высокочувствительных микрофона М1 и М2, выходные сигналы которых электрически (или акустически) 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. Тем самым обеспечивается относительное ослабление акустических полей с боковых направлений (О — 90°). Градиентными микрофонами высоких порядков называют системы, реализующие пространственные производные 2-го, З-го и более старших порядков.
3. Как сравнивать и оценивать направленные микрофоны? Основной пользовательской характеристикой направленных микрофонов является дальность их действия в конкретных условиях. Для открытого пространства и изотропных и независимых по угловым направлениям внешних акустических помех дальность действия R связана:
а) со спектральным отношением сигнал/помеха q на выходе направленного микрофона,
б) со спектральным уровнем речи Вр;
в) со спектральным уровнем внешних акустических помех Вш соотношением вида:
q=Bp-Bш-20 lg R+G-Bп (1)
где
G — так называемый коэффициент направленного действия микрофона (дБ),
Вп — пороговая акустическая чувствительность микрофона (дБ).
Входящий в формулу (1) коэффициент G направленного действия характеризует степень относительного подавления внешних акустических помех: чем он больше, тем сильнее это подавление. Теоретически он связан с нормированной диаграммой направленности микрофона F (Q,j ) соотношением вида:
где
Q — угол прихода звуковой волны по отношению к оси микрофона;
j — угол прихода звуковой волны в полярных координатах плоскости,
перпендикулярной оси. Например, для трубчатого микрофона, когда
где l -длина волны звука. а L — длина трубки, имеем ( при L ? l . ) :
G = 4 L/l . (4)
Аналогично выводится приближенная формула для коэффициента направленного действия параболических микрофонов и фазированных плоских решеток:
G = 4p (S/l 2) (5)
где S — площадь входной аппертуры; l .- длина волны звука. Для градиентных микрофонов n-го порядка
при оптимальной обработке сигналов
G=n (n+1) (6)
где n — порядок градиента. При известных значениях величины G формула (1) достаточна для получения абсолютных оценок ожидаемого спектрального отношения сигнал/помеха, если известны условия. Но во многих случаях знания этих условий бывают неточны. Поэтому более оправданно использовать не абсолютные, а относительные оценки дальности, как не требующие точных знании условии, поскольку сопоставление происходит при их равенстве. Принимая такую идеологию, сравним возможности направленных микрофонов с возможностями не вооруженного специальными устройствами человеческого слуха. Формально для него можно записать соотношение, аналогичное (1). В результате сравнения получим:
R=R0 x 10 0,05 (G-G0) – 0,005 D Bп (7)
Здесь R0 — дальность слышимости звука органом слуха;
R — дальность действия направленного микрофона с тем же качеством контроля.
Go — коэффициент направленного действия органа слуха человека (режим биноурального прослушивания ).
D Bп — разность пороговой чувствительности направленного микрофона и органа слуха. На рис. 5 представлен график зависимости относительной дальности действия R/Ro направленного микрофона как функции его коэффициента направленного действия G для случая, когда D Bп = О (вариант технически реализуем). Коэффициент Go направленного действия органа слуха человеком принят равным 6 дБ.
Из графика видно, что при G = 15 дБ (такое значение G примерно соответствует данным для большинства достаточно хороших микрофонов типа фазированных решеток и параболического типа) направленный микрофон позволит реализовать дальность контроля примерно в 3 раза большую, чем расстояние Ro, при котором звук воспринимается человеком без специальных приспособлений. Сопоставление проводится в одинаковых условиях для одного и того же источника звука. Практически этот результат означает следующее: если речь идет об акустическом контроле разговоров в городе, на улице, когда R0 = 2 — 4 м, то направленные микрофоны позволят регистрировать разговор на расстояниях 6-12 м. В загородных условиях, с меньшим уровнем помех, когда величина Ro может достигать 10 м и больше, дальность контроля с использованием технических средств может составить более 30 м.
Рис. 5. Дальность действия направленного микрофона R по сравнению
с дальностью R» слышимости звука неоснащенным органом слуха.
Таковы оценки ситуаций использования направленных микрофонов в условиях открытого пространства. Но возможно применение направленных микрофонов и в закрытых помещениях, для которых обязателен учет реверберации, то есть отражений звуковых сигналов от стен помещений и предметов интерьера.
Формально в этих условиях соотношение (7) остается справедливым, если вместо G использовать приведенный коэффициент направленного действия G0:
G0=(G+R)/(1+R) (8)
где R — некоторый параметр, учитывающий площадь поверхности объема (так называемое акустическое отношение) .
4. Размышляя о будущем
Говоря о будущем данной специальной отрасли можно выделить по крайней мере три направления возможного совершенствования направленных микрофонов. G одной стороны, следует ожидать (по аналогии с адаптивной временной фильтрацией) появления приборов, способных к адаптивной пространственно-временной фильтрации акустических помех. Объективной основой таких приборов являются достижения в области цифровой многоканальной обработки данных. Вторая возможность совершенствования направленных микрофонов связана с прогрессом с области высокочувствительных акустических сенсоров, что принципиально позволяет создавать микрофоны с пороговой чувствительностью минус 10 – минус 15 дБ и предельной дальностью контроля при отсутствии внешнего шума. И, наконец, нельзя исключить появления принципиально новых направленных микрофонов, использующих нелинейные и параметрические эффекты для реализации органолептических скрытных антенн большого размера и способных обеспечивать к.н.д. 20-25 дБ и более.