Направленные микрофоны

Направленные микрофоны подразделяют на комбинированные, групповые и микрофоны с параболическим рефлектором [19]. Основными характеристиками направленных микрофонов являются характеристика (диаграмма) направленности и индекс направленности.

Диаграмма направленности – это чувствительность микрофона в зависимости от угла θ между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Ее определяют для ряда частот или в пределах полосы частот. Обычно используют нормированную характеристику направленности R (θ), то есть зависимость отношения чувствительности Е_θ, измеренной под углом θ, к осевой (максимальной) чувствительности Е_ос

R (θ) = Е_θ/ Е_ос .

Графически характеристику направленности обычно изображают в полярных координатах (рис. 4.3).

Индекс направленности показывает выраженную в децибелах разницу уровней мощности сигналов на выходе микрофона от двух источников звука: одного, расположенного на оси, и другого – источника рассеянных звуковых волн (шума), если оба создают в точке расположения микрофона одинаковое акустическое давление. Иными словами, индекс направленности показывает величину подавления шума, приходящего с бокового направления, по отношению к сигналу, приходящему с направления, совпадающего с осью микрофона.

Комбинированные микрофоны обычно состоят из двух микрофонов. Один из них реагирует на величину звукового давления, а второй – на градиент давления, то есть на изменение величины акустического сигнала. Индекс направленности таких микрофонов не превышает 6 дБ.

К групповым микрофонам относятся линейные группы микрофонов, располагаемых в ряд по прямой горизонтальной линии так, чтобы их оси были параллельны друг другу (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Линейная группа микрофонов

Электрические выходы микрофонов последовательно соединяют в специальном смесителе.

Характеристика направленности такой линейной группы R(θ), состоящей из N элементов, определяется как произведение характеристики направленности одиночного микрофона R₁(θ) и характеристики группы:

R (θ) = R₁ (θ)

где x = π (d/λ) sin θ; d – расстояние между отдельными микрофонами; λ – длина волны акустического сигнала.

Чем меньше отношение длины волны λ к расстоянию, занимаемому группой микрофонов (N – 1)·d, тем уже будет основной лепесток диаграммы направленности и больше индекс направленности. Так, например, для группового приемника, состоящего из шести ненаправленных микрофонов, расположенных с шагом d = 10 см, на частоте сигнала f = 1000 Гц (λ = 33 см), ширина основного лепестка диаграммы направленности равна 41º, а индекс направленности равен 8 дБ.

Трубчатый микрофон органного типа тоже использует свойство групповых антенн.

Рис. 4.5. Трубчатый микрофон органного типа: 1 – звуковые трубки;

2 – предкапсюльный объем; 3 – капсюль микрофона

Конструкция трубчатого микрофона органного типа схематично показана на рис. 4.5. Он состоит из нескольких десятков тонких трубок 1. Длина трубки от нескольких сантиметров до метра. Трубки собраны в пучок – длинные в центре, короткие – по периферии. Ровно срезанные концы трубок сообщаются с предкапсюльным объемом 2. Микрофонный капсюль 3 электродинамического или электромагнитного типа. Звуковые волны, приходящие по осевому направлению, поступают через трубки в предкапсюльный объем в одной фазе. Их амплитуды складываются арифметически. Звуковые волны фонового шума, приходящие под углом θ к оси, попадают в предкапсюльный объем сдвинутыми по фазе на угол, величина которого зависит от длины конкретной трубки. Поэтому амплитуды волн, прошедших через разные трубки, складываются геометрически. За счет этого сигнал фонового шума ослабляется. Индекс направленности трубчатых микрофонов около 8 дБ (то есть шумы, действующие с боковых направлений, ослабляются по отношению к фронтальному сигналу почти в 10 раз). Основным недостатком таких микрофонов является сравнительно большая длина трубок.

Трубчатый щелевой микрофон представляет собой трубку с отверстиями или сплошной продольной прорезью по всей длине. С некоторым приближением такую трубку можно рассматривать как множество трубок разной длины, поэтому трубчатый щелевой микрофон относят к приемникам группового типа.

Если звук проходит по оси, то пути его распространения по трубке и через отверстия одинаковы, и составляющие звукового давления от пришедших колебаний синфазны и, следовательно, их сумма, воздействующая на диафрагму микрофонного капсюля, максимальна. Если же звук приходит под углом θ к оси трубки, то разность пути звука по всей трубке и пути от входа в трубку до входа в отверстие, находящееся на расстоянии d, обусловит сдвиг фаз, зависящий от величины θ. Между колебаниями, пришедшими через разные отверстия, создается сдвиг фаз различной величины, что приводит, как и в предыдущем случае, к уменьшению результирующего давления на диафрагму.

В фазированной решетке открытые торцы звуководов (трубок), воспринимающие воздействие звукового поля, расположены в одной плоскости. Все звуководы имеют равную длину и сходятся к некоторой полости, называемой акустическим сумматором, в которой расположен микрофонный капсюль. Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут в одной фазе, и их сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если источник звука расположен под некоторым углом к оси, то сигналы в различных точках приемной плоскости будут разными по фазе, и результат их сложения будет меньше. Число звуководов может достигать нескольких десятков, тем не менее фазированная решетка менее громоздка, чем микрофон органного типа, однако, уступает ему в показателях направленности.

Устройство направленного микрофона с параболическим рефлектором иллюстрируется рис. 4.6.

Рис. 4.6. Направленный микрофон с параболическим рефлектором: 1 – микрофон;

2 – рефлектор; 3 – звуковая волна

Микрофон 1 размещен в фокусе отражателя 2 параболической формы. Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в точке фокуса. Возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр рефлектора, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от разных частей параболического зеркала звуковых волн, попадающих на микрофон, даст меньший результат, поскольку не все слагающие будут в фазе. Ослабление будет тем сильнее, чем больше угол между осью зеркала и направлением на источник звука.