Лекция 7 Методы и технические средства акустической разведки

Лекция 7 Методы и технические средства акустической разведки

Методы и средства прослушивания

Технические средства подслушивания расширяют и дополняют возможности слуховой системы человека за счет: · Приема и прослушивания акустических сигналов, распространяющихся в воде и… · Повышение дальности подслушивания речевой информации по сравнению с непосредственным подслушиванием;

Микрофоны для систем подслушивания и их классификация

Микрофон как основной и наиболее широко применяемый элемент акустического приемника можно представить в виде последовательного ряда функциональных звеньев. В первом акустическом звене в результате взаимодействия конструкции микрофона и звукового поля формируется механическая сила, зависящая от громкости звука, частоты звукового сигнала, размеров и формы корпуса микрофона и его акустических входов, расстояния между ними и угла падения звуковой волны относительно оси микрофона. Первое звено определяет характеристику направленностимикрофона и по существу представляет собой акустическую антенну.

Второе звено обеспечивает преобразование механической силы акустической волны в колебания подвижной части микрофона – мембраны. Его свойства определяются расположением, величиной и частотной зависимостью входящих в него акусто-механических элементов. Это звено определяет амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) микрофона.

Третье звено представляет собой электромеханический преобразователь колебаний мембраны в электрический сигнал и определяет чувствительность микрофона. Четвертое электрическое звено выполняет функцию согласования преобразователя с последующей электрической цепью и характеризуется внутренним или выходным сопротивлением микрофона как источника сигнала.

При подключении микрофона к входным цепям усилителя (нагрузке) с комплексным сопротивлением Z_н напряжение на нем равно U_н = Е_мZ_н/ (Z_м + Z_н), где Е_м и Z_м – выходные напряжения и сопротивления микрофона (рис.7.2)

 

Рисунок 7.2 - Эквивалентная электрическая схема микрофона

Напряжение на нагрузке максимально, т.е. U_н Е_м, при Z_м Z_н. Следовательно, для повышения напряжения на нагрузке необходимо выполнить условия Z_н Z_м .

Микрофоны классифицируется по различным признакам, указанными на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 - Классификация микрофонов

Угольный микрофон представляет собой круглую коробочку с гранулированным древесным углем, закрываемую тонкой металлической упругой крышкой – мембраной. К электроду, укрепленному на дне коробочки, и мембране подводится постоянное напряжение, под действием которого в массе угольного порошка протекает электрический ток. Принцип работы угольного микрофона основан на изменении под действием акустической волны сопротивления угольного порошка, находящегося между мембраной и неподвижными электродами. Номинальное сопротивление угольного микрофона зависит от зернистости и технологии обработки порошка и других факторов. Это сопротивление может составлять у низкоомных микрофонов 35-65 Ом, среднеомных – 65-145 Ом и высокоомных 145-300 Ом. Угольные микрофоны имеют низкую стоимость, высокую чувствительность, обеспечивают возможность без дополнительного усиления передачу электрических сигналов на большие (десятки км) расстояния. Это обстоятельство обуславливает широкое применение угольных микрофонов в проводной телефонной связи. Однако они узкополосные и для передачи более широкополосных, чем речь, акустических сигналов не применяются.

В электродинамическом микрофоне катушка из тонкой проволоки жестко связана с мембраной из полистирольной пленки или алюминиевой фольги и постоянно находится в воздушном зазоре постоянного магнита. При колебаниях катушки в ней возникает ЭДС, значение которой пропорционально громкости звука. Динамические микрофоны относительно просты, надежны в работе в широком диапазоне температур и влажности, устойчивы к сотрясениям и широко применяются в различных звукоусилительной и звукозаписывающей аппаратуре.

В электромагнитном микрофонев результате колебаний мембраны из ферромагнитного материала в обмотке неподвижной катушки с сердечником, по которой протекает постоянный ток, возникает ЭДС индукции, величина которой эквивалентна интенсивности звука.

Конденсаторный микрофон представляет собой капсуль, состоящий из 2-х параллельно расположенных пластин – электродов, один из которых массивный, другой – тонкая мембрана. Электроды образуют конденсатор, емкость которого зависит от площади пластин и расстояния между ними. К электродам подводится через резистор поляризующее постоянное напряжение. При воздействии на мембрану звуковых волн изменяются расстояния между электродами и, соответственно, емкость конденсатора. В результате этого через резистор протекает ток, амплитуда которого пропорциональна звуковому давлению на мембрану. При расстоянии между обкладками 20-40 мкм и поляризующем напряжении в несколько десятков вольт чувствительность микрофона достигает 10-20 мВ/Па.

Разновидностью конденсаторного микрофона является электретный микрофон, мембрана которого выполнена из полимерных материалов (смол), способных в сильном электрическом поле и при высокой температуре заряжаться и сохранять электрический заряд продолжительное время. Такие материалы называют электретами. Мембрана из электрета металлизируется, между пластинами после заряда возникает разность потенциалов 45-130 В. Электретные микрофоны не нуждаются во внешнем источнике и широко применяются в звукозаписывающей аппаратуре, в том числе для негласного прослушивания.

Действие пьезоэлектрического микрофона основано на возникновении ЭДС на поверхности пластинок из пьезоматериала, механически связанных с мембраной. Колебания мембраны под давлением акустической волны передаются пьезоэлектрической пластине, на поверхности которой возникают заряды, величина которых соответствует уровню громкости акустического сигнала.

К основным характеристикам микрофонов относятся : чувствительность, частотная характеристика, характеристика направленности и уровень собственного шума. Чувствительность определяется отношением напряжения U на выходе микрофона к звуковому давлению P на его входе при номинальной нагрузке:

(7.1)

Чувствительность микрофона определяется частотой акустического сигнала, так как от частоты зависит внутреннее сопротивление. Для определения средней чувствительности вводится понятие среднеквадратичного значения в номинальном диапазоне частот.

Чувствительность, выраженная в децибелах относительно величины 1 В/(Н/м), называется уровнем чувствительности.

Стационарным уровнем чувствительности называется, выраженное в децибелах отношение U_н при номинальной нагрузке R_н при звуковом давлении 1 Па = 1 Н/м к напряжению U, соответствующему мощности P₀=1мВт. Зависимость уровня чувствительности от частоты называется частотной характеристикой чувствительности.

Характеристика направленности представляет собой зависимость чувствительности микрофона от угла между рабочей осью микрофона (направление, по которому микрофон имеет наибольшую чувствительность) и направлением на источник звука. Эту характеристику определяют две полосы частот. Нормированная характеристика направленности, т.е. зависимость отношения чувствительности E_q , измеренной под углом q, к осевой чувствительности Е₀ , определяется выражением

(7.2)

Большинство микрофонов имеет осевую симметрию. По характеристике направленности микрофоны, используемые для ведения акустической разведки, делятся на направленные (односторонне направленные) и остронаправленные. Графическое представление характеристик направленности называют диаграммой направленности, которую часто представляют в полярных координатах.

Коэффициент направленности G – отношение квадрата осевой чувствительности микрофона в свободном поле Е₀ к среднеквадратичной чувствительности микрофона по всем радиальным направлениям Е_qs :

(7.3)

Его определяют для полосы частот.

Уровень собственного шума микрофона L , приведенный к акустическому входу, определяют как уровень эквивалентного звукового давления P_ш, при воздействии которого на микрофон получилось бы выходное напряжение, равное выходному напряжению микрофона U_ш , развиваемому им в отсутствии звуковых колебаний:

L = 20 lg (P_ш/P₀),

Где P_ш = U_ш/Е_ш; Р_о = 2*10^-5 Па. (7.4)

Обобщенные характеристики акустических микрофонов приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1 - Обобщенные характеристики акустических микрофонов

№ n/n	Тип микрофона	Диапазона частот, Гц	Неравномерность АЧХ, дБ	Чувствительность на f = 1000 Гц,Вм2/н
1	2	3	4	5
	Угольные порошковые	200-4000
	Электродинамические	30-15000
	Электромагнитные	150-5000
	Конденсаторные (с дополнительным источником напряжения)	30-15000
	Электретные	20-18000
	Пьезоэлектрические	100-5000

 

Примечание. Чувствительность микрофона приведена в вольтах при площади мембраны 1м² и осевом давлении в 1 Ньютон (Н). В системе СИ эта характеристика измеряется в мВ/Па.

Направленные микрофоны

  Рисунок 7.4 - Зависимость относительной дальности микрофона от коэффициента… Величины Rм и R0 на рисунке обозначают дальность подслушивания микрофоном и ушами человека соответственно. В качестве…

Примеры реализации направленных микрофонов

Наиболее простым по конструкции является направленный микрофон «Супер Ухо-100» (рисунок 7.9), и параболический микрофон представленный на рисунке 7.10.

 

Рисунок 7.9 - Направленный микрофон «Супер Ухо - 100»

 

Рисунок 7.10 - Внешний вид параболических направленных микрофонов

Конструкции плоских направленных микрофонов и их основные характеристики представлены на рисунках 7.11-7.13 и в таблице 7.2.

 

Рисунок 7.11 - Микрофонная решетка фирмы G.R.A.S.

 

Рисунок 7.12 - Плоский направленный микрофон 40ТА

 

 

Рисунок 7.13 - Микрофонная решётка BSWA-TECHSPS-980

 

Таблица 7.2 - Обобщенные характеристики микрофонных решеток

Наименование характеристики	Тип микрофона
40TA	SPS-980
Количество микрофонов
Диапазон частот, кГц	0,05-6,6	0,02-20
Чувствительность, мВ/Па	50(4)
Динамический диапазон, дБА	32(40)-134(174)	30-128
Размеры решётки, мм	175*175

 

Трубчатые микрофоны представлены на рисунках 7.14-7.17 и в таблице 7.3

 

Рисунок 7.14 - Внешний вид трубчатого направленного микрофона PKI 2925

 

 

Рисунок 7.15 - Внешний вид трубчатого направленного микрофона YKN

 

Рисунок 7.16 - Внешний вид трубчатого направленного микрофона SENNHEISERMKHP48

 

Рисунок 7.17 - Миниатюрный направленный микрофон UEM - 88

 

 

Таблица 7.3 - Характеристики направленных трубчатых микрофонов

Наименование характеристики		Тип микрофона
YKN	AT-89	UEM-88
Частотный диапазон, Гц	500-10000	60-12000	200-15000
Максимальный коэффициент усиления, дБ
Чувствительность, мВ/Па			…
Размеры, мм	310*30	355*70	229*25*13
Вес, г
Напряжение питания, В			1*AAA
Время работы аккумулятора, ч		4-6
Дальность перехвата разговоров, м			…

 

Игольчатые микрофоны, электронный стетоскоп, гидрофон, геофон, проводные микрофоны

Выносные игольчатые микрофоны представляют собой микрофоны со специальными тонким звуководами (см. рисунок 7.18) и предназначены для прослушивания… Например, в системе РКI 2455 используется электретный игольчатый микрофон с… В электронных стетоскопах в качестве датчиков используются контактные микрофоны, которые преобразуют акустические…

Закладные устройства

Закладные устройства в силу большого разнообразия конструкций и оперативного применения создают серьезные угрозы безопасности речевой или иной… В общем случае закладное устройство представляет собой ретранслятор, на вход…  

Лазерные акустические системы разведки

Существует несколько схем построения ЛАРС. На рис. 7.25 изображен простейший вариант подобной системы. Луч лазера падает…  

Регистрирующая аппаратура

Блок воспроизведения некоторых магнитофонов позволяет подключение к компьютеру. Для управления воспроизведением применяют программное обеспечение,… · Моментально получить доступ к любому ранее записанному фрагменту в… · Отсортировать записанные разговоры по различным признакам (время начала,