Рис. 1.3.27. Классификация направленных микрофонов
>- комбинированные;
>- групповые, в том числе:
>- линейные группы микрофонов;
>- трубчатые приемники органного типа;
>- трубчатые щелевые приемники;
>- фазированные решетки;
>- микрофоны с параболическим рефлектором.
Для сравнительной оценки качества вышеперечисленных направленных микрофонов используют технические характеристики, основными из которых являются характеристика направленности и индекс направленности.
Характеристика, или диаграмма, направленности — это чувствительность микрофона в зависимости от угла q между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Ее определяют или на ряде частот, или в пределах полосы частот. Обычно используют нормированную характеристику направленности R(Q), то есть зависимость отношения чувствительности Е измеренной под углом q, к осевой (максимальной) чувствительности Еoc.
R()=Е/Еос
Большинство микрофонов имеет осевую симметрию, поэтому характеристика направленности для них одинакова во всех плоскостях, проходящих через ось микрофона. Графическое представление характеристик направленности часто дают в полярных координатах (рис. 1.3.28).
Индекс направленности показывает выраженную в децибелах разницу уровней мощности сигналов на выходе микрофона от двух источников звука: одного (например, голоса человека), расположенного на оси, и другого — источника рассеянных звуковых волн (например, шума автотрассы), если оба создают в точке расположения микрофона одинаковое акустическое давление. Иными словами, индекс направленности показывает величину подавления (дискриминации) шума, приходящего с бокового направления, по отношению к сигналу, приходящему с направления, совпадающего с осью микрофона.
Ненаправленный микрофон не подавляет шума, поэтому его индекс направленности равен нулю (Qнм = 0 дБ).
Коэффициент направленного действия показывает выраженную в децибелах степень увеличения уровня сигнала на выходе микрофона при замене ненаправленного микрофона направленным и постоянной величине акустического давления.
Рис. 1.3.28. Характеристика направленности микрофона
Комбинированные микрофоны
Эти устройства являются простейшим видом направленных микрофонов, так как представляют из себя систему, состоящую из двух типов акустических приемников-микрофонов. Обычно это приемники давления и градиента давления, реагирующие соответственно на величину и изменение величины акустического сигнала.
Простейшая комбинация этих приемников, наиболее часто применяемая на практике, состоит из одного микрофона-приемника давления и одного микрофона-приемника градиента давления, располагаемых как можно ближе друг к другу (обычно один над другим) и так, чтобы их оси были параллельны.
Изменяя параметры микрофонов, можно получать различные характеристики направленности и соответственно индексы направленности (рис. 1.3.29) всей системы. Наибольший индекс достигается для случая, когда диаграмма имеет вид гиперкардиоиды (Qгк = 6 дБ).
Групповые микрофоны
В соответствии с классификацией, приведенной на рис. 1.3.27, к групповым акустическим приемникам относятся линейные группы, трубчатые 1 микрофоны и фазированные решетки.
Рассмотрим их более подробно.
Рис. 1.3.29. Виды характеристик направленности для комбинированных микрофонов:
1 — окружность для приемника давления; 2 — кардиоида для комбинированного приемника с одинаковой чувствительностью приемников давления и градиента давления; 3 — суперкардиоида; 4 — гиперкардиоида; 5 — косинусоида (восьмерка) для одного приемника градиента давления
Линейная группа приемников (микрофонов) — это несколько микрофонов, обычно располагаемых в ряд по прямой горизонтальной линии так, чтобы их оси были параллельны друг другу (рис. 1.3.30), иногда микрофоны располагают по небольшой дуге. Электрические выходы акустических приемников последовательно соединяют в специальном смесителе.
Характеристика направленности такой линейной группы R(Q) из N элементов определяется как произведение характеристики направленности одиночного приемника R1() на характеристику группы:
R()=R1()[sinNx /(Nsin x)],
где х = р (d/l) sin q, a d — расстояние между отдельными приемниками.
Чем меньше отношение длины волны l акустического сигнала к длине группы l = (N - 1)/d, тем уже будет основной лепесток диаграммы направленности и больше индекс направленности. Однако следует иметь в виду, что при чрезмерной длине группы (сравнимой с расстоянием от приемника до источника звука) будут сказываться интерференционные явления из-
Рис. 1.3.30. Общий вид линейной группы микрофонов
за большой разности хода звуковых волн от источника до входов отдельных микрофонов, входящих в состав группы.
Численное значение ширины основного лепестка определяется из соотношения:
Так, например, для группового приемника, состоящего из шести ненаправленных микрофонов, расположенных по прямой линии с шагом d= 10 см (l = 50 см) и частотой принимаемого сигнала f = 1000 Гц ( = 33 см), ширина основного лепестка составляет величину 1 = 41°. Расчет индекса направленности для этой группы дает величину 8 дБ.
Основной недостаток такого типа направленных микрофонов — это обеспечение направленных свойств только в плоскости, проходящей через оси микрофонов; в ортогональной плоскости характеристика такая же, как и у одиночного микрофона.
Трубчатый микрофон органного типа так же использует свойства групповых антенн. Его вид схематично представлен на рис. 1.3.31.
Такой микрофон имеет в своем составе несколько десятков тонких трубок 1 с длинами от нескольких сантиметров до метра и более. Эти трубки собирают в пучок — длинные по середине, короткие — по наружной поверхности. Концы трубок с одной стороны образуют плоский срез 2, входящий в предкапсюльный объем 4. Сам микрофонный капсюль 3 выбирается, как правило, электродинамического или электромагнитного типа (приемника давления) в зависимости от требуемого частотного диапазона. Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, проходят в трубки и поступают в предкапсюльный объем в одинаковой фазе. Их амплитуды складываются арифметически:
где N — количество трубок, a U — амплитуды звуковых волн. Звуковые волны фонового шума, приходящие под углом 6 к оси, оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину, поэтому
амплитуды этих волн складываются геометрически:
где Дф — величина разности фаз для любой пары звуковых волн, при->. шедших по трубкам, длины которых отличаются на величину d:
Рис. 1.3.31. Строение трубчатого микрофона органного типа:
1 — звуковые трубки; 2 — срез трубок; 3 — капсюль микрофона; 4 — предкапсюльный объем
Характеристика направленности для такого направленного микрофона определяется из соотношения, аналогичного для линейной группы приемников:
R()=sinNx /(Nsin x),
где х = (dmin/)(1—cos ), dmin — разница в длине между ближайшими по размеру трубками.
Приведенные соображения справедливы в случае, если в трубке не образуются резонансные колебания. С этой целью входные отверстия трубок либо их концы у капсюля закрывают при помощи пробок из пористого поглотителя.
Основным достоинством таких направленных микрофонов является высокий индекс направленности (около 8 дБ, при этом шумы, действующие с боковых направлений, ослабляются по отношению к сигналу
