Направленные микрофоны

Микрофоны для дистанционного подслушивания имеют акустическую антенну, сужающую его диаграмму направленности. Эти микрофоны называются остронаправленными микрофонами. Характер увеличения относительной дальности R_м/R₀ остронаправленного микрофона от его коэффициента направленного действия G_м иллюстрируется на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 - Зависимость относительной дальности микрофона от коэффициента его направленного действия

Величины R_м и R₀ на рисунке обозначают дальность подслушивания микрофоном и ушами человека соответственно. В качестве микрофона рассматривается гипотетический микрофон с чувствительностью слуховой системы человека.

Различают следующие типы остронаправленных микрофонов:

· Параболические;

· Плоские акустические фазированные решетки;

· Трубчатые или микрофоны «бегущей» волны;

· Градиентные.

Параболический микрофон состоит из отражателя звука параболической формы, в фокусе которого расположен обычный (ненаправленный) микрофон. Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного материала.

Значение внешнего диаметра параболического зеркала может находиться в пределах от 200 до 500 мм. Принцип работы этого микрофона поясняется на рисунке 7.5. Звуковые волны с осевого направления отражаются от параболического зеркала и суммируются в фазе в фокальной точке А. За счет этого эффекта возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большим усилением характеризуется микрофон. Если направление волны звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн в точке А произойдет со сдвигом по фазе и усиление микрофона будет меньшим. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Параболический микрофон является примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона.

Рисунок 7.5 - Параболический микрофон

Плоские фазированные решетки обеспечивают одновременный прием звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости,

Рисунок 7.6 - Плоская фазированная решетка

перпендикулярной к направлению на источник звука (рисунок 7.6). В этих точках (А₁, А₂, А₃ …) размещаются либо микрофоны с суммированием сигналов электрическим способом, либо открытые торцы звуководов, например трубок достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых волн от источника в некотором акустическом сумматоре.

В микрофоне со звукодами к выходу сумматора подсоединен микрофон. В случае прихода звуковой волны с осевого направления все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут иметь одинаковые фазы, и сложение звуковых волн в акустическом сумматоре даст минимальное значение. Если направление на источник звука не осевое, то сигналы от разных точек приемной плоскости даст различные фазы и результат их сложения будет меньшим. Чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление. Обычно число приемных точек А_iв таких решетках составляет несколько десятков.

Плоские фазированные решетки обычно встраиваются в переднюю стенку атташе-кейса с последующим камуфляжем или в майку-жилет, которая надевается под пиджак или рубашку. Электронные блоки (усилитель, элементы питания, магнитофон) располагаются соответственно либо в кейсе, либо под одеждой. Плоские фазированные решетки с камуфляжем визуально менее заметны по сравнению с параболическими микрофонами.

Трубчатые микрофоны, или микрофоны «бегущей» волны, в отличие от параболических микрофонов и плоских акустических решеток, имеют иной принцип действия.Они принимают звук вдоль некоторой линии, совпадающей с направлением на источник звука. Принцип их действия поясняется на рисунке 7.7.

Рисунок 7.7 - Трубчатый микрофон

Трубчатый микрофон представляет собой звуковод в форме жесткой полой трубки диаметром 10…30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами вдоль оси звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. При приеме звуковой волны с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, благодаря равенству скоростей осевого распространения звука вне трубки и внутри нее. Когда же звук приходит под некоторым углом к оси микрофона, то это ведет к неравенству длин путей распространения звуковых волн и фазовому рассогласованию, в результате чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона находится в пределах от 15…230 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений.

Градиентные микрофоны первого порядка в отличие от фазированных приемных акустических решеток, использующих операцию сложения акустических сигналов, обеспечивают операцию вычитания по направлению прихода сигнала.

В результате они имеют низкую пороговую чувствительность , поскольку вычитание ослабляет сигнал, но статически суммирует внутренние помехи.

В то же время сама операция вычитания позволяет конструировать направленные сигналы малых размеров. Простейшим градиентным направленным микрофоном является микрофон, реализующий градиент первого порядка (рис. 7.8). Он представляет собой два достаточно миниатюрных и близко расположенных высокочувствительных микрофона М1 и М2, выходные сигналы которых

Рисунок 7.8 - Простейший градиентный микрофон

электрически (или акустически) вычитаются друг из друга, реализуя в конечных разностях первую производную звукового поля по оси микрофона и формируя диаграмму вида соsQ, где Q – угол прихода звука. Тем самым обеспечивается относительное ослабление акустических полей с боковых направлений (0-90^о) .

Градиентными микрофонами высоких порядков называют системы, формирующие пространственные производные 2-, 3-го и более старших порядков.