Notice: Use of undefined constant REQUEST_URI - assumed 'REQUEST_URI' in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 2

Notice: Use of undefined constant DOCUMENT_ROOT - assumed 'DOCUMENT_ROOT' in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 5

Notice: Use of undefined constant REQUEST_URI - assumed 'REQUEST_URI' in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 5

Notice: Use of undefined constant DOCUMENT_ROOT - assumed 'DOCUMENT_ROOT' in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 11

Notice: Use of undefined constant REQUEST_URI - assumed 'REQUEST_URI' in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 11

Notice: Use of undefined constant REQUEST_URI - assumed 'REQUEST_URI' in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 28

Notice: Use of undefined constant REQUEST_URI - assumed 'REQUEST_URI' in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 28

Notice: Use of undefined constant REQUEST_URI - assumed 'REQUEST_URI' in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 28

Notice: Undefined variable: flag in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 28

Notice: Undefined variable: adsense7 in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 39

Notice: Undefined variable: adsense6 in /var/www/www-root/data/www/sound-talk.ru/index.php on line 40
Микрофон остронаправленный. «Проект: Аудиология» - сборник научно-практических материалов для профессионалов в области аудиологии и слухопротезирования, включающий материалы конференций, статьи по кохлеарной имплантации, отоневрологии и законодательные акты по сурдологии.

микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой. Микрофон остронаправленный


Остронаправленный высокочувствительный микрофон « схемопедия

Когда-то давно я сделал    остронаправленный высокочувствительный микрофон и выложил результаты его испытаний в интернете. С тех пор прошло уже много  лет, но мне по-прежнему приходят запросы на приобретение этого изделия. В абсолютном большинстве случаев желающие приобрести   имеют представление об этом изделии из художественных кинофильмов, обычно детективных. Поэтому, как только я высылал им фото, их интерес к нему пропадал.  Для тех, кому действительно интересно такое устройство я решил написать  эту статью, в которой кратко рассказать о том, как  сделать   его своими руками.

Рис. 1

Структурно изделие состоит из параболического отражателя, приемного устройства,      расположенного в его фокусе,   НЧ усилителя, наушников и автономного блока питания. Все устройство закреплено на подвеске, позволяющей плавно поворачивать его в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Чтобы представлять назначение каждого блока устройства напомню немного теории.

Пусть на параболический отражатель падает поток звуковых волн. Если источник звука достаточно далек, то  звуковой поток можно представить в виде потока параллельных векторов. Падая на поверхность   вектора отражаются    в область фокуса (см. рис.2).  Согласно волновой теории диаметр этой зоны d не может быть меньше  длины волны падающего на отражатель звука. То есть, d ≥ λ, где  λ = c/f.  Здесь  c – скорость звука, f – его частота.  Будем считать, что форма   параболического отражателя идеальна, а потому d = λ. Отсюда следует первая важнейшая характеристика устройства, его коэффициент   усиления параболического отражателя: Kp = (D/d)2

Смысл данного соотношения очень прост. Звуковой поток падает на поверхность параболоида S = πD2/4. Параболоид   концентрирует энергию потока в фокусе на поверхность приемного устройства площадью s = πd2/4. В результате на этой поверхности  плотность   энергии звукового потока возрастает в  Kp = S/s = (D/d)2 раз. На фото диаметр параболического отражателя   D = 90 см. Для волны λ = 15 см (f = 2000 гц.) получим  Kp = (90/15)2 = 36.

Рис. 2

Второй важнейшей характеристикой устройства является его острота направленности. Этот параметр важен потому, что необходимо не просто усилить звуковой сигнал, а усилить полезный сигнал. Для этого необходимо с помощью диаграммы направленности «вырезать» его из общего  звукового потока. Величину диаграммы направленности параболического  отражателя можно вычислить так. Поворачивая параболоид (см. рис. 3) можно повернуть его на такой угол α, что область концентрации звукового потока выйдет за   пределы приемного устройства. Поскольку размеры приемного устройства ограничены длиной волны принимаемого звука λ, то угол диаграммы направленности  в первом приближении можно выразить так:

α = arctg(λ/F).

В устройстве, показанном на фото, параболический отражатель имеет фокусное расстояние F = 36 см. Отсюда, для  λ = 15 см острота направленности устройства будет равна 22 градуса. Это  достаточно малый угол.  По этой причине параболический отражатель с приемным устройством установлены на подвеске (см.фото рис.1) которая позволяет плавно его поворачивать. Без этой подвески работать с устройством крайне затруднительно. К этому следует добавить, что в соотношения как коэффициента усиления (1), так и остроты направленности (2) входит длина волны λ. По мере ее уменьшения      растут как коэффициент усиления,  так и острота направленности. Это хорошо заметно при  прослушивании акустического горизонта. Лучше всего слышны звуки высокой частоты: на природе крики птиц,  в жилом районе  звон посуды из открытых окон и форточек.

Рис. 3

 Что касается приемного устройства, которое находится в фокусе параболоида (см. рис. 4). Основной частью устройства является кронштейн. В его центральной части есть отверстие. С одной стороны в нем закреплен конденсаторный микрофон, а с другой   в него входит с небольшим зазором поршень из пенопласта,  который приклеен к мембране. Сама мембрана вклеена в кронштейн. Кронштейн имеет окна, которые соединяют объем, ограниченный мембраной с объемом корпуса. Для увеличения акустического объема корпуса он заполнен синтепоном или иным волокнистым материалом.

Устройство помещено в фокусе параболического отражателя и работает следующим образом. Поток звуковых волн, отраженный параболическим отражателем падает на мембрану и заставляет ее колебаться. Из теории мембран следует, что под действием давления (звуковой волны) мембрана  изгибается по форме параболоида четвертой степени. То есть под действием звуковых волн перемещается преимущественно   центральная область мембраны. А это значит, что мембрана  концентрирует энергию падающей звуковой волны   в колебания своей центральной зоны. В результате поршень, который вклеен в центральную часть мембраны, будет возбуждать в объеме между ним и микрофоном колебания с амплитудой существенно превышающей амплитуду падающей на мембрану звуковой волны. Коэффициент усиления  мембраны можно оценить так:

Km = (Dm/dk)2

Величину dk, т.е. размер зоны концентрации деформаций мембраны  в первом приближении ее можно принять равной  dk ≈ 0,2 Dm. Отсюда коэффициент усиления мембраны (для Dm = 15 см) будет равен: Km ≈ 25.   Тогда общий акустический коэффициент усиления устройства будет равен: K =   Kp Km = 36 x 25 = 900.

Некоторые практические советы по  изготовлению остронаправленного высокочувствительного микрофона.

Рис. 4

1. Параболический отражатель

В своем устройстве в качестве отражателя я использовал прямофокусный отражатель спутниковой антенны с параметрами: D = 900 мм, F = 360 мм, F/D = 0.4. Материал отражателя – алюминиевый лист толщиной 1 мм. Подвеска (устройство поворота отражателя в двух плоскостях) стандартная от спутниковой антенны. Стойка с треногой самодельная.

Сейчас прямофокусных спутниковых «тарелок», тем более алюминиевых нет. Их вытеснили стальные офсетные. В принципе это не столь существенно. Неудобство состоит лишь в том, что стальная тарелка существенно тяжелее алюминиевой, а из-за офсетной формы,  вектор ее диаграммы направленности не столь наглядный как у прямофокусной. Спутниковую тарелку можно купить как в специализированных фирмах, так и на радиорынке.  Весте с «тарелкой» следует купить  и ее подвеску, включая подвеску конвертора. То есть  следует купить спутниковую антенну, но без электроники (конвертора и тюнера).  Использовать для изготовления микрофона «тарелку» диаметром менее 900 мм нет смысла.

2. Приемное устройство

В качестве корпуса приемного устройства можно использовать любой цилиндрический контейнер подходящего (D ≈ 150 мм) размера. Например, можно использовать кружку из нержавеющей стали. Сейчас таких продают много.

Внутри корпуса размещается микрофонный НЧ усилитель. Я не электронщик, а потому использовал готовую схему усилителя и набор деталей КИТ ее реализующий. В качестве микрофона использовал конденсаторный микрофон диаметром около 1 см.    Вопросы согласования характеристик микрофона и НЧ усилителя выяснял у продавцов наборов КИТ.  

Выход усилителя и подвод к нему питания выведены на пятипиновый разъем, врезанный в корпус приемного устройства (см. фото).

Кронштейн (см. рис.3) выточен из пластика (я вытачивал из текстолита). Я не привожу его конкретные размеры. Достаточно задаться его внешним диаметром (у меня 150 мм) и диаметром микрофона (около 10 мм). Остальные размеры достаточно произвольные. Их соотношение можно взять, например, из приведенного рисунка 4.

Окна кронштейна (3 секторных  окна) я высверлил, края обработал напильником. Затем подобрал тонкостенную металлическую трубку длиной миллиметров 50…100, с  наружным диаметром, равным диаметру  микрофона. После просверлил в кронштейне отверстие диаметров, равным наружному диаметру этой трубки. Край трубки заточил так, что получил из нее высечку. За тем подготовил пластину из пенопласта толщиной 5…7 мм.  Вращая   высечку, вырезал с ее помощью из пенопластовой пластины поршень. Поршень оставил в трубке.

После этих подготовительных работ можно вклеивать мембрану. Из папиросной либо иной тонкой бумаги вырезаем круг, равный диаметру кронштейна. Вклеиваем его в кронштейн с помощью водостойкого клея (резиновый клей, клей 88, «Момент» (каучуковый) и др.) После того как клей высох смачиваем (например ватным тампоном) вклеенную мембрану водой и даем ей высохнуть.  После высыхания мембрана туго натянется. После этого в мембрану можно вклеить пенопластовый поршень, который находится в металлической трубке. Для этого выступающий из трубки торец поршня смазываем водостойким клеем. Но не «Моментом», он интенсивно растворяет пенопласт. Резиновый или 88 – ой. Кладем кронштейн на плоскую поверхность мембраной вниз и в центральное отверстие вводим трубку с поршнем. Не вынимая трубки, выталкиваем из нее поршень до соприкосновения с мембраной. За тем, прижимая поршень к мембране,  осторожно вынимаем трубку из отверстия кронштейна. Все поршень вклеен. Спрашивается, зачем все эти сложности. За тем, чтобы поршень был установлен в отверстии кронштейна с минимальным зазором и строго коаксиально. 

После вклейки поршня с другой стороны отверстия закрепляем микрофон. Например, подматываем на его боковую поверхность бумагу и плотно вставляем микрофон в отверстие. Соединение микрофона с платой НЧ усилителя желательно сделать разъемным. При проверке и настройке НЧ усилителя микрофон придется многократно отключать и подключать к   плате усилителя. Кронштейн с вклеенной мембраной и микрофоном закрепляется в корпусе приемного устройства с помощью боковых винтов (саморезов). После того как НЧ усилитель настроен его плата закрепляется в корпусе приемного устройства, например с помощью термоклея. После этого корпус приемного устройства заполняется волокнистым материалом (синтепон, хлопковая вата и т.п. волокнистым материалом) и закрывается собранным кронштейном. Чтобы защитить бумажную мембрану от повреждения ее  следует закрыть не очень толстой (8…10 мм) пластиной поролона (пенополиуритана). Поролон   закрыть тонкой полиэтиленовой пленкой.  Такая защита сколько ни будь существенно качество приема не снижает, но защищает мембрану от дождя и шума ветра.

3. Блок питания

Сейчас полно недорогих малогабаритных аккумуляторных батарей на основе которых можно сделать блок питания устройства. Кроме своего прямого назначения он используется также для коммутации. То есть аккумуляторная батарея размещается в корпусе, который используется для закрепления в нем следующий элементов. Выключатель питания, резистор управления уровнем сигнала с НЧ усилителя, пятипиновый разъем  для подключения приемного устройства (на фото виден кабель, соединяющий разъем приемного устройства и блока питания). Кроме этого разъем для подключения наушников, и, при необходимости, записывающего устройства, которое содержит аналоговый вход.

После того как все блоки готовы устройство собирается в целом. Приемное устройство закрепляется вместо конвертора в фокусе спутниковой тарелки. С помощью штатной подвески тарелка устанавливается в подходящей треноге. Кабелем соединяем блок питания и приемное устройство. Подсоединяем наушники.  Все, высокочувствительный остронаправленный микрофон готов к работе. Осталось только включить питание и начать прослушивать акустический горизонт. Автор: Ю.В.Волков (Jurij_v_volkov@rambler.ru)

shemopedia.ru

Направленные микрофоны в слуховых аппаратах: теоретические и клинические аспекты

Дэвид Фабри, директор по клинический исследованиям фирмы «Phonak», «Hearing Review», № 4 за 2005 год Выбор адекватной технологии в соответствии с нуждами и ожиданиями пациента — решающий фактор успеха при работе с направленными микрофонами. Статья предоставлена Исток-Аудио, опубликована в журнале Радуга Звуков

Технология направленных микрофонов далеко не нова — впервые они были использованы 60 лет назад для предотвращения обратной связи в справочных службах и для подавления шума на крупных спортивных состязаниях. А уже в начале 70- х гг. направленные микрофоны появились в американских СА. В 1984 г. Хокинс и Якулло сообщали об улучшении соотношения сигнал / шум на 3-4 дБ, если плохослышащий человек использовал СА с направленным микрофоном ( по сравнению с СА с ненаправленным микрофоном ). Тогда же Диллон и Макре сообщили об аналогичном улучшении.

Однако использование направленных микрофонов СА до середины 90- х гг. оставалось на очень низком уровне. Валенте один из первых опубликовал результаты проведенных по всем правилам исследований, которые свидетельствовали о пользе, получаемой владельцами заушных СА с направленными микрофонами. Именно в это время большинство направленных систем приобрело способность переключаться между направленным и ненаправленным режимами, a FDA начало требовать подтверждений от производителей, утверждавших, что их СА улучшают слышимость речи на фоне шума. После этого «Phonak» получила от FDA разрешение открыто рекламировать улучшение понимания речи в шумной обстановке. Однако использова ние направленных микрофонов в США практически не возрастало до тех пор, пока они не начали использоваться во внутриушных СА.

Сегодня, согласно оценке, 36% всех СА имеют направленную технологию. Хотя большинство сведений об удовлетворенности потребителей относится к 1991-2000 гг. (таблица 1), направленные слуховые системы привели к значительному улучшению тех факторов, которые оказывают наибольшее влияние на потребительскую удовлетворенность (таблица 2).Направленные микрофоны в слуховых аппаратах

Направленные микрофоны в слуховых аппаратах

Четыре типа направленных систем и их применение Широкое распространение цифровых СА привело к развитию новых технологий направленности. Они могут быть классифицированы в соответствии с тем, каким образом активируется направленная система: вручную [ дистанционное управление или переключатель ) или автоматически (решение алгоритма обработки сигнала, принятое для данной слуховой обстановки ). Кроме того, полярная диаграмма направленного микрофона может быть фиксированной или адаптивной, а адаптивная система может быть широкополосной или многополосной. В результате мы имеем четыре типа систем направленных микрофонов

Фиксированные направленные системы Такие аппараты используют фиксированную полярную диаграмму, которая либо активирована все время, либо включается вручную с помощью переключателя или пульта дистанционного управления. Диаграмма может иметь вид кардиоиды, суперкардиоиды, гипер кардиоиды или быть биполярной (дипольной), но вне зависимости от этого ее рисунок остается неизмен ным в любой слуховой обстановке.

Для некоторых фиксированных направленных микрофонов можно использовать разные полярные диаг раммы и сохранять их в разных программах прослу шивания СА. Но основополагающий принцип остается прежним: полярная диаграмма не меняется в зависи мости от изменений пространственного расположения речи и шума. А потому польза, предоставляемая фиксированной системой направленного микрофона, в одних шумовых ситуациях будет больше, чем в других.

Фиксированные направленные системы с автоматической активацией Эти СА аналогичны СА с фиксированной направленностью микрофона. В них также используется постоянная полярная диаграмма, но при наличии фонового шума направленный микрофон может включаться автоматически. Хотя в разных программах СА могут быть задействованы разные полярные диаграммы, этот выбор должен быть заложен специалистом в процессе программирования СА, иначе система теряет свое «автоматическое» действие. В результате основное преимущество от направленного микрофона для конечного пользователя будет заключаться в простоте использования. А характеристики будут подобны тем, которых удается добиться для фиксированного направленного микрофона с теми же самыми полярными диаграммами.

Адаптивные направленные системы с автоматической активацией Эти системы аналогичны автоматически активируемым направленным микрофонам. В этом случае направленные микрофоны также могут включаться и вык лючаться по мере необходимости, но, в дополнение к этому, они могут изменять полярную диаграмму в ответ на пространственно изменяющуюся слуховую обстановку (например, когда источник шума пе редвигается относительно слушателя), изменяя внутреннее запаздывание между микрофонами.

На практике эти системы могут изменять полярные диаграммы независимо от частоты (широкополосные системы) или проводить такую операцию в нескольких частотных диапазонах (многополосные системы). Многополосные адаптивные системы дают дополнительные преимущества в том случае, когда несколько источников шума (помехи) и пространственно, и спектрально отличаются от полезного сигнала. Широкополосная система подавляет лишь один, наиболее интенсивный источник шума. 20-полосная система подавляет самый громкий источник шума в каждом канале. Так, например, если одна из помех — это человеческий голос, расположенный по азимуту 135°, а второй — микроволновая печь по азимуту 180°, полярные диаграммы могут различаться для разных частот ных диапазонов, что соответствует основным энергетическим пикам на каждом направлении. Если сигналы в канале накладываются друг на друга, то подавляется лишь один, наиболее громкий источник. Следовательно, большее число каналов предоставляет лучшее решение для изоляции и подавления шумовых источников, которые различаются пространственно и спектрально.

Предварительные данные, полученные для 7 испытуемых, показали, что разборчивость речи на фоне шума улучшилась для нового 20-полосного адаптивного направленного микрофона (Savia) по сравнению с широкополосной адаптивной системой (Claro/Perseo), при тестировании в окружающей обстановке. В условиях, когда шум, прошедший фильтр низких частот, предъявляется по азимуту 180°, а шум, прошедший фильтр высоких частот, по азимуту 90° и 270°, средняя направленная польза для многополосной и широкополосной системы составляет 7,7 дБ и 5,8 дБ SNR (соотношение полезный сигнал/шум) соответственно. Хотя эти результа ты нуждаются в подкреплении, они все же свидетельствуют о пользе, которую многополосные адаптивные направленные микрофоны приносят в специфичных окружающих условиях, при наличии нескольких независимых источников шума, которые различаются по своим спектральным характеристикам.

Адаптивные направленные системы с ручным переключением Эти системы аналогичны адаптивным направленным микрофонам, но могут предлагать ручной выбор адаптивных направленных характеристик для специфичных окружающих условий. Например, некоторые СА (Savia) позволяют выбирать либо фиксированную направленность, либо частотно-специфичную адаптивную настройку направленного микрофона для одного и того же СА. Эти настройки владелец СА может выбирать либо автоматически, либо вручную, в зависимости от слуховой ситуации. Эта дополнительная гибкость дает дополнительные преимущества в том случае, когда какой — то пациент может, в виде исключения, предпочесть фиксированную направленность многополосной адаптивной направленности.

Ограничения направленных систем Для своего действия все вышеперечисленные направленные системы требуют пространственного разделения полезного сигнала и шумовых источников. Если шум и речь доносятся с одного направления, ни одна из этих систем не сможет в достаточной степени улучшить соотношение сигнал/шум. Кроме того, расстояние между основным собеседником и владельцем СА не должно превышать «критического расстояния» для использования СА (в помещении это несколько метров). Наличие реверберации может отрицательно влиять на свойства направленного микрофона, вне зависимости от вида направленности. Однако, несмотря на то, что адаптивные направленные системы не всегда обладают преимуществом по сравнению с фиксированным направленным микрофоном, они никогда не оказываются хуже. Другая потенциальная проблема, связанная с использованием автоматических и адаптивных направленных систем, это «синхронизация» программ и настройки регулятора громкости между левым и правым ухом. Еще одна проблема звучит так: всегда ли режим микрофона (ненаправленный/направленный) должен быть скоординирован между обоими ушами для оптимального понимания речи и качества звучания. Например, при езде в автомобиле водитель обычно сталкивается с шумом слева (здесь предпочтительна направленная настройка микрофона), однако хочет общаться со своими пасса жирами справа (в этом случае подавление боковых звуков направленным микрофоном было бы невыгодно). В такой ситуации возможная десинхронизация будет приносить пользу, до тех пор, пока она не начнет оказывать отрицательного влияния на понимание речи и качество звучания. В своих недавних исследованиях Пейн и Латман оценивали порог распознавания речи SRT в шуме для вла дельцев СА, которые использовали согласованные бинауральные условия для направленных микрофонов и «несогласованные» условия, когда сферический режим для одного СА сочетался с адаптивной широкополосной системой направленных микрофонов. Полученные результаты показали, что хотя режим адаптивный/адаптивный обеспечивает наилучшую разборчивость, несогласованные условия вовсе не ухудшают работу СА, а обеспечивают сравнимое качество звучания во всех слуховых ситуациях (шум спереди, сбоку, сзади, а также асимметричный шум с боков). Это означает, что в условиях асимметричного окружающего шу ма может оказаться предпочтительным не синхронизировать режимы направленных микрофонов для разных ушей. Учитывая то, что в США 77% всех случаев протезирования являются бинауральными, этот аспект может оказаться важным для многих владельцев СА.

Наконец, следует признать, что направленные микрофоны, несмотря на всю переживаемую ими популярность, подходят не для каждого. Например, аудиограмма сама по себе не является надежным показателем того, какие трудности пациент испытывает при прослушивании речи в шумной обстановке. Некоторые исследователи, включая Мида Киллиона, который является ярым сторонником использования направленных СА, предлагают проводить речевые тесты на фоне шума (Quick SIN или HINT ), которые могут помочь в определении соотношения сигнал/шум, достаточного для разбочивости речи для пациента. В таблице 3. представлено, как уменьшение соотношения речевой сигнал/шум (SNR), достаточного для разборчивости речи, может, в свою очередь, использоваться для определения кандидатов, которые могут получить пользу от направленных микрофонов и FM — технологии. АнкетыCOSI или АРНАВ также дают полезные субъективные данные об ожиданиях, которые пациенты предъ являют к СА. Суть дела заключается в следующем: существует несколько технических решений, которые могут использоваться вместе с СА для улучшения или сохранения SNR, а потому самая важная клиническая проблема — это надлежащий выбор и использование правильной технологии для конкретных пациентов.Направленные микрофоны в слуховых аппаратахТаблица 3. Использование значений SNR с целью определения кандидатов для использования направленных микрофонов и FM-технологии.

Заключение

Направленные микрофоны обеспечивают реальное увеличение понимания речи в шуме, удовлетворенности пациентов и пользы, по сравнению с СА с ненаправленными микрофонами. СА с широкополосными или многополосными адаптивными направленными микрофонами улучшают понимание речи в условиях, когда один или два независимых источника шума перемещаются в пространстве. Реверберация и возрастание расстояния от владельца СА до собеседника отрицательно влияют на действие направленных микрофонов. Согласование потребностей пациента и его ожиданий к выбранной технологии — основной фактор, ведущий к успешному использованию направленных микрофонов. Оценка потери SNR и измерение субъективных потребностей пациента (COSI, АРНАВ ) являются полезными средствами, поддерживающими этот процесс.

pro-audiologia.ru

VIII.5.S. Остронаправленный микрофон : Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура : Юридическая библиотека

Микрофоны этого вида основаны на использовании групповой ан тенны бегущей волны, свойства которой были рассмотрены в VI. 2.5. Представим себе обычный микрофон, диафрагма (мембрана) которо­го с помощью переходной камеры 1 соединена с длинной трубкой 2, имеющей боковые отверстия (рис. VIII.33). Если поместить' такую систему в звуковое поле, то внутри трубки возникнет цуг'звуковых волн, распространяющихся от всех отверстий в сторону диафрагмы, а давление у поверхности диафрагмы явится суммой давлений всех этих волн, выражаемой соотношениями (VI.85) и (VI.86). (В ре­зультате этого характеристика направленности такого микрофона теоретически выразится формулой (VI.87).

Приведенные соображения не учитывают, однако, некоторых существенных физических факторов, возникающих при реализации подобной системы. Каждая парциальная волна, распространяющаяся в трубке, например от i — того отверстия, будет претерпевать отра­жения от отверстия i-1, так как сопротивление отверстия гораздо меньше, чем сопротивление p0c0S воздуха в продолжающемся за от-

 

Рис. VIII.33. Остронаправленный микрофон антенной бегущей волны

верстием отрезке трубы (5 — площадь сечения трубы). Для устра­нения таких отражений приходится искусственно увеличивать со­противление отверстий, закрывая их пористыми пробками. Эти проб­ки выполняют также и функции выравнивания амплитуд парциаль­ных давлений, достигающих диафрагмы от разных отверстий. Пос­кольку по мере удаления отверстия от диафрагмы увеличивается за­тухание волны на участке «отверстие —диафрагма», то пористые пробки в удаленных от диафрагмы отверстиях должны иметь меньшее сопротивление, чем в ближних. Такой же эффект может быть достиг­нут путем увеличения диаметра отверстий по мере удаления от диа­фрагмы.

Шаг отверстий d должен выбираться таким образом, чтобы на са­мой верхней частоте рабочего диапазона отсутствовал побочный мак­симум характеристики направленности, равный по величине основ­ному и возникающий при d (см. § VI.2.5). Если в боковой стенке трубки проделать вместо отверстий сплошную щель, то опас­ность возникновения таких максимумов устраняется, так как антен­на становится непрерывной и ее направленность выражается функци­ей (VI.89). Одновременно с этим достигается и большая равномер­ность частотной характеристики, так как в системе дискретных источ­ников (отверстий) в гораздо большей степени сказываются отражения парциальных волн от диафрагмы, приводящие к интерференционным выбросам и провалам частотной характеристики фронтальной чувст­вительности.

Основным недостатком, присущим остронаправленным микрофо­нам, является чрезмерное обострение направленности на высоких ча­стотах и расширение ее в области нижних частот. Например, согласно формуле (VI.89) для того, чтобы обеспечить на частоте 100 Гц угол направленного действия хотя бы 180°, длина антенны / должна быть равна X, т. е. около 3,4 м. Практически используемые антенны име­ют, как правило, длипу, не превышающую 1 м, что на низких

частотах не дает требуемого эффекта. Эту трудность частично обхо­дят тем, что в качестве капсюля остронаправленной системы исполь­зуют микрофон с односторонней направленностью (см. рис. VIII.33.)

bookzie.com

микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой - патент РФ 2411692

Предложено устройство микрофона с приемным звуковым каналом в виде цилиндра или усеченного конуса, в торце которого размещено рефлекторное зеркало, а в его фокусе расположен приемник-преобразователь звука. Предложены геометрические размеры устройства, которые обеспечивают независимость приема звука от его частоты. Рекомендованы значения коэффициентов поглощения звука для внутренней поверхности звукового приемного канала и отражающей поверхности зеркала. Предложено использование приемных звуковых каналов как дополнительных, самостоятельных элементов к действующим микрофонам широкого применения, которые позволят получить микрофон с острой диаграммой приема. 2 н.п. ф-лы, 5 ил. микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692

Предлагаемое микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой предназначено для использования в репортерских или специальных записях звука в присутствии внешних шумов.

Известны устройства остронаправленных микрофонов [1, 2] двух типов. В первом типе микрофонов принцип острой направленности использует волновой характер звука, который поступает в приемные звуковые каналы в виде трубок, длины которых связаны с длиной волны звука микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692зв. Звуковые волны, направленное распространение которых совпадает с осью трубок, в конце каналов воздействуют на приемник звука с одинаковой фазой. Звуковые волны, направленные под углом к оси трубок, также попадают в канал. Так как длина трубок различна, то эта разница обеспечивает на приемнике звука такое расположение фаз волны, при котором их воздействие на приемник звука практически исключается.

Во втором типе микрофонов острая направленность приема звука обеспечена расположением приемника-преобразователя звука в фокусе рефлекторного параболического зеркала.

Работа обоих типов микрофонов основана на зависимости их геометрических размеров от длины волны звука микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692зв и, следовательно, зависимости диаграммы направленности от микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692зв. При этом считается, что полоса частот приемника-преобразователя не влияет на диаграмму направленности микрофонного устройства.

По своим техническим параметрам второй тип микрофонов с остронаправленной приемной диаграммой может рассматриваться как АНАЛОГ (прототип) предлагаемому микрофону, а само предложение направлено на устранение указанных недостатков прототипа.

Микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой звука, включающее в себя приемник-преобразователь звука в электрический сигнал, который помещен в фокусе рефлекторного зеркала, согласно предложению в качестве рефлектора применено параболическое или сферическое зеркало, в котором высота стрелы параболического или сферического сегмента h определена неравенством микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 , причем коэффициент поглощения звука поверхностью зеркала не более 0,03, а само зеркало размещено в торце приемного звукового канала, выполненного в виде цилиндра или усеченного конуса, при этом диаметр цилиндра или меньший диаметр конуса равен диаметру зеркала. На внутреннюю поверхность звукового канала нанесен материал с коэффициентом поглощения звука не менее 0,7, а отношение длины звукового канала к внутреннему диаметру цилиндра или к среднему диаметру конуса не менее 3, где с - скорость звука, fв.гр - верхняя граничная частота звукового сигнала.

В другом варианте микрофонного устройства предложено в торце приемного звукового канала разместить приемник-преобразователь прямого воздействия звука, при этом диаметр приемника-преобразователя совпадает с внутренним диаметром цилиндра или меньшим диаметром конуса.

В дальнейшем реализация предлагаемого устройства микрофона поясняется и иллюстрируется следующими чертежами:

фиг.1 - диффузное отражение атомов и молекул воздуха звуковой волны от поверхности с неровностями микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 >>dср.м (dcp.м - средний диаметр молекул воздуха), где 1 - звуковой луч, 2 - отражающая преграда, 3 - вид диффузного отражения;

фиг.2-2а - изображение сферического зеркала, где 4 - зеркало, 5 - диаметр зеркала, 6 - фокус зеркала при OF>h, h - стрела сферического или параболического сегмента; 2б - изображение параболического зеркала при OF<h; 2в - изображение параболического зеркала при OF>h;

фиг.3 - изображение приемного звукового канала в виде цилиндра или усеченного конуса 7, где 8 - рефлектор, 9 - приемник-преобразователь звука, 10 - внутреннее поглощающее звук покрытие, 11 - держатель приемника;

фиг.4 - на примере цилиндрического звукового приемного канала угловое положение интересующих источников звука 12, 2микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 - зона возможного положения интересующего источника 12, 2микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692кр - зона, за пределами которой второстепенные источники звука 12 не воспринимаются приемником 9;

фиг.5 - изображение звукового канала 7 (цилиндра), совмещенного с приемником-преобразователем звука прямого действия 9.

Работа предлагаемого микрофонного устройства базируется на фундаментальных положениях кинетической теории газа, разработанной в 19 веке [3]. В соответствии с этой теорией атмосферное давление воздуха определяется энергией атомов и молекул, которые находятся в постоянном хаотическом движении, при этом средняя скорость атомов и молекул между столкновениями определяется выражением

микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692

где Р - давление газа, микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 - плотность газа.

В 19 веке Лаплас предложил рассчитывать скорость звука в воздухе с помощью формулы [4]

микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692

где k - показатель диабаты, который для двухатомных молекул равен 2, а для атомов и молекул воздуха лежит в диапазоне 1,2-1,4.

Видно, что выражения (1) и (2) идентичны и, следовательно, скорость звука в воздухе определяется средней кинетической скоростью атомов и молекул воздуха. Так, при нормальных атмосферных условиях Ратм=1,01325·10 6 дн/см2, микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692атм=0,0012932 г/см3, 0°С и k=1,4 скорость звука сзв=331 м/с. При этом следует иметь в виду, что при распространении звука в воздухе средняя длина свободного пробега атомов и молекул составляет ~ 10-5 см. Однако этот свободный пробег оказывается направленным - от источника звука.

Следует также отметить, что средний диаметр атомов и молекул воздуха составляет dср.ммикрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 10-7 см=0,001 мкм, а это во много раз меньше длины волны видимой области света 0,3-0,7 мкм. Именно это обстоятельство обеспечивает прохождение света через воздух практически без потерь.

Атомы и молекулы воздуха, которые являются единственными носителями звуковой энергии, при встрече со сплошной преградой могут упруго отражаться от нее или поглощаться ею. При малом размере dcp·м можно утверждать, что отражение звуковой волны (то есть атомов и молекул) от любых преград может быть только диффузным. На фиг.1 показан диффузный характер 3 отражения падающего звукового луча 1 от поверхности 2, неровности которой микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 много меньше dcp·м. Практически в природе не существуют поверхности, неровности которых микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 были бы меньше dср.м.

Значения коэффициента отражения звука микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692отр от различных преград, приведенные в учебниках и справочниках [1, 2], не учитывают диффузный характер отражения и, видимо, требуется корректировка этих значений и с учетом также угла падения звукового луча.

Кинетическая теория газа и практика акустических измерений подтверждают сохранение волнового характера отраженного звука и сохранение частоты падающего и отраженного звука (исключением является проявление эффекта Доплера). Необходимо также отметить наличие принципа суперпозиции звуковых волн [3], который заключается в том, что каждая волна, появляющаяся в воздушной среде независимо от присутствия других волн, распространяется так, как если бы других волн нет.

В соответствии с изложенным, отражение звуковых волн от поверхности рефлекторного зеркала будет диффузным. На каждом участке поверхности зеркала, на который падает звуковая волна, в отраженном звуке есть только часть составляющих, направленных на фокус зеркала. Причем это происходит как со звуковым лучом, условная ось которого параллельна оси зеркала, так и с лучом, условная ось которого не совпадает с осью зеркала.

Допустимое отклонение условных осей падающих на зеркало звуковых лучей может быть определено только по результатам экспериментальных исследований диффузного характера отражения. Однако важным является тот факт, что диффузное отражение допускает отклонение условных осей падающих звуковых лучей от оси рефлекторного зеркала без нарушения результатов регистрации их приемником звука.

Требования, которые следует предъявить к поверхности рефлекторного (сферического или параболического) зеркала, заключаются в том, чтобы коэффициент поглощения звука микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692погл имел бы минимальное значение.

Авторы рекомендуют использовать поверхность рефлектора с коэффициентом микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692погл.з не более 0,03 (микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692поглмикрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 0,03). Таким значением микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692погл обладают стеклянные и металлические полированные поверхности [4], которые и могут быть рекомендованы для использования в качестве отражающей поверхности рефлектора.

На фиг.2 а, б и в приведены изображения сферического (а) и параболического (б, в) зеркал 4. Высота стрелы сферического и параболического сегмента h определяет степень независимости зеркала от длины волны звука. Действительно, в сферическом и параболическом зеркале при условии, что фокусное расстояние OF больше h наблюдается сдвиг по фазе звуковой волны, приходящей в фокус от различных участков зеркала.

Для сферического зеркала максимальный сдвиг по фазе возникает при отражении от центра зеркала и составляет 2h. Если считать допустимым сдвиг по фазе не более 10%, то есть не более 0,1 микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692зв, то это условие может быть записано в виде

микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692

где сзв - скорость звука в воздухе, fв.гp - верхняя граничная частота звуковой волны, принимаемая приемником звука. Например, при fв.гр=3000 Гц и сзв=340 м/с величина микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692

Диаметр зеркала 5 определяется с помощью выражения

микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692

где R - радиус сферы и для рассматриваемого примера при R=40 мм и 50 мм диаметр зеркала 5 оказывается равным 44 мм и 49 мм при расположении приемника-преобразователя звука в фокусе 6 сферического зеркала. Как показывает пример, такой микрофон может быть рекомендован только для низкочастотной части звукового спектра.

При частотах выше 3 кГц в соответствии с (3) величина h должна уменьшаться до значения менее 1 мм и для приемлемого значения 2 r3 радиус сферы должен быть большим. Так при fв.гр=15000 Гц и h микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 1 мм и при Rмикрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 50 мм диаметр зеркала составит 20 мм. Это значит, что при отношении длины звукового канала к его диаметру не менее 3, как это задано в предложении, приемник оказывается расположенным в противоположном от зеркала торце канала. При увеличении R>60 мм приемник вообще может располагаться за пределами канала, что недопустимо.

На фиг.2б и 2в показаны параболические зеркала, у которых фокусное расстояние OF<h (2б) и OF>h (2в). Как видно из чертежей в варианте 2б сдвиг по фазе звуковой волны, попадающей в приемник-преобразователь, находящийся в фокусе зеркала, от центра зеркала и его периферии всегда присутствует. Таким образом, параболическое зеркало с параметрами OF<h оказывается малопригодным для предлагаемого устройства микрофона.

Вариант 2в приемлем для приема звука во всем сигнальном диапазоне звука. В этом варианте при OF>h, и, например, fв.грмикрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 15000 Гц в соответствии с (3) hмикрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 1 мм. Диаметр зеркала определяется с использованием уравнения параболы микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 24116922=2рх, где микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 =r3, р=2OF. Таким образом, при х=h=1 мм и при OF=30 мм и 40 мм получаем следующие значения 2 rз - 31 мм, 36 мм и такое параболическое зеркало в полосе частот сигнала 0-15 кГц оказывается независимым от частоты звуковой волны. Конечно, можно задать значение OF равным, например, 60 мм и получить диаметр зеркала большего размера.

По мнению авторов, выбор типа рефлектора в предлагаемом устройстве должен определяться точностью изготовления зеркала. Например, для низкочастотного диапазона (до 3 кГц) изготовление сферического зеркала может оказаться более простым и дешевым, чем параболическое зеркало. Изготовление широкополосного микрофона (OF>h) возможно будет связано с трудностью производства зеркала, однако требования к точности его изготовления снижаются в связи с диффузным характером отражения звука, рассмотренным выше. В соответствии с предложением, рефлекторное зеркало устанавливается в торце звукового приемного канала, выполненного в виде цилиндра или усеченного конуса. На фиг.3 показаны такие каналы 7. Внутренний диаметр цилиндра или меньший диаметр конуса совпадает с диаметром зеркала 2 r з 8. В фокусе зеркал помещены приемники-преобразователи звука 9 и 6. При этом внутренняя поверхность каналов 7 покрыта материалом 10 с коэффициентом поглощения звука не менее 0,7. Приемники пространственно фиксируют с помощью специальных держателей 11 с минимальной площадью по отношению к звуковому потоку.

Видно, что звуковой канал с зеркалом выполняет функции световой бленды на объективе фотоаппаратов. То есть «звуковая бленда» - звуковой канал - защищает приемник-преобразователь от воздействия на него второстепенных источников, не находящихся на основной оси микрофонного устройства (когда ось рефлектора и звукового канала совпадают).

Покрытие звуковых каналов 7 поглощающим звук материалом 10 обеспечивает поглощение звуковой энергии, все же попавшей на вход канала под углом к оси. С учетом диффузного характера отражения от покрытия 10 и учетом рекомендуемого значения коэффициента поглощения не менее 0.7, уже при третьем отражении луча от стенок канала часть второстепенного звукового потока составит не более 0,1 от его входной мощности.

Рекомендуемое значение микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692погл не менее 0,7 обосновано тем, что в настоящее время имеется большой выбор материала с микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692поглмикрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 0,7, например, это класс полиматериалов с регулируемой пористостью и другие. Возможные положения интересующих источников звука и второстепенных показаны на фиг.4. Интересующие источники звука 12 расположены на оси устройства микрофона, второстепенные не совпадают с этой осью.

Как следует из фиг.3 и 4, зоны расположения интересующих источников 12 и 13 второстепенных источников зависят от отношения длины звукового канала L к к диаметру канала dк (на фиг.4 это показано на примере цилиндра).

Авторы считают, что минимальное значение этого отношения должно быть равно 3. С одной стороны, это отношение позволяет без потерь в приеме звука некоторое угловое отклонение интересующего излучателя от оси микрофона. На фиг.4 это отклонение указано углом 2микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 . Величина этого угла в настоящее время не может быть точно указано из-за незнания характера диффузного отражения от конкретной преграды (зеркала), однако критерием его ограничения может быть только

«наблюдаемая» источником область на рефлекторном зеркале. Если эта область ограничена (задана), например, (0,6-07) от общей площади зеркала Sз, то при заданном отношении Lк/dк рассчитать угол 2микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 не представляет трудности. На фиг.4 угол 2микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692кр отмечен как критический в силу того, что источники, располагаемые за пределами этого угла, не будут восприниматься приемником-преобразователем. При увеличении отношения (L к/dк)>3 угол 2микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692кр уменьшается, и число возможных отражений звуковой волны второстепенных источников от стенок звукового канала увеличивается.

В другом предлагаемом варианте устройства микрофона в торце звукового приемного канала в виде цилиндра или усеченного конуса размещен приемник-преобразователь прямого взаимодействия звуковой волны. Как показано на фиг.5, диаметр приемника совпадает с диаметром канала (на фиг.5 в виде цилиндра) или с меньшим диаметром конусного звукового канала. В этом случае частотная характеристика предлагаемого микрофона полностью соответствует характеристике приемника.

Можно также добавить, что упомянутые звуковые каналы с отмеченными характеристиками могут использоваться как самостоятельные дополнительные элементы к действующим микрофонам в виде «звуковой бленды», которая обеспечивает острую направленность приема звука.

Для микрофонных устройств с рефлекторными зеркалами существенным является отношение площади зеркала Sз к площади приемника звука Sпр, который размещают в фокусе внутри приемного звукового канала. Так, если задается отношение Sпр /Sзмикрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 0,05, то при диаметре зеркала 40 мм и 50 мм диаметр приемника соответственно должен быть не более 8,9 мм и 11,2 мм. Полученные размеры приемников близки к размерам, которые применяют, например, в современных мобильных телефонных аппаратах, и поэтому могут рекомендоваться в предложенных микрофонных устройствах.

К преимуществу предлагаемого микрофона следует отнести его малые размеры и, видимо, вес. Так микрофоны с фазовым смещением [1, 2] имеют длину не менее 0,5 м, а длина предлагаемого микрофона не более 0,15 м.

Таким образом, предложено устройство микрофона с остронаправленной приемной диаграммой, которое может найти применение во многих репортерских и специальных записях звука.

Литература

1. Алдошина И.А., Вологдин Э.И., Ефимов А.П. и др. Электроакустика и звуковое вещание. - М.: Горячая линия. Телеком, 2007.

2. Акустика Справочник. - М.: Радио и связь, 1989.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Физматгиз, 1963.

4. Физико-математический справочник, том 1. - М.: Физматгиз, 1961.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой звука, включающее в себя приемник-преобразователь звука в электрический сигнал, который помещен в фокусе рефлекторного зеркала, отличающееся тем, что в качестве рефлектора применено параболическое или сферическое зеркало, в котором высота стрелы параболического или сферического сегмента определена неравенством hмикрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой, патент № 2411692 0,05 (сзв/fв.гр), причем коэффициент поглощения звука поверхностью зеркала не более 0,03, а само зеркало размещено в торце приемного звукового канала, выполненного в виде цилиндра или усеченного конуса, при этом диаметр цилиндра или меньший диаметр конуса равен диаметру упомянутого зеркала, на внутреннюю поверхность звукового канала нанесен материал с коэффициентом поглощения звука не менее 0,7, а отношение длины звукового канала к диаметру цилиндра или к среднему диаметру конуса не менее 3, где сзв - скорость звука, f в.гр - верхняя граничная частота звукового сигнала.

2. Микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой звука, включающее в себя приемник-преобразователь звука в электрический сигнал, отличающееся тем, что приемник-преобразователь звука помещен в торце звукового приемного канала, представляющего собой цилиндр или усеченный конус, при этом площадь приемника-преобразователя равна площади диаметра приемного канала или площади меньшего диаметра конусного канала, отношение длины звукового канала к диаметру цилиндра или к среднему диаметру конуса не менее 3, а на внутреннюю поверхность звукового канала нанесен материал с коэффициентом поглощения звука не менее 0,7.

www.freepatent.ru