СПОСОБ ОСТРОНАПРАВЛЕННОГО ПРИЕМА ЗВУКОВЫХ ВОЛН
METHOD FOR HIGHLY DIRECTIONAL RECEPTION OF SOUND WAVES

Предлагается способ остронаправленного приема звуковых волн, который может найти применение в качестве репортерских приемников звука, а также в целом ряде акустических специфических применений научного и исследовательского характера.
Известен способ остронаправленного приема звука в конструкторском исполнении микрофонами трубчатого типа [1] и интерференционными микрофонами «бегущей волны», которые выполняют одним звуковым каналом - трубкой с равномерно расположенными на ней отверстиями [2].
В известном способе в конструктивном исполнении из [1] акустическую приемную часть собирают из пучка звуковых каналов - трубок с линейно изменяющейся длиной трубок, противоположные концы трубок собирают в единую торцевую плоскость и помещают в предкапсюльный объем единого микрофона. Микрофон может быть электродинамического или конденсаторного типа и воспринимает звуковые давления, приходящие в объем только из звуковых трубок.
В другом конструктивном исполнении [2] известный способ реализуют одним звуковым каналом - трубкой с акустическими приемниками звука в виде отверстий в трубке, которые, как и в случае [1], линейно расположены по длине, включая и вход в трубку в ее торце. Противоположный конец трубки также помещают в предкапсюльный объем упомянутого микрофона.
Известный способ предполагает, что звуковые волны от интересующего источника, приходящие по осевому направлению трубок в [1] или трубку в [2], т.е. при расположении оси звуковых каналов по нормали к фронту звуковой волны, поступают на приемную поверхность микрофона с одинаковой фазой и их амплитуды складываются арифметически.
Звуковые волны, которые поступают под углом ±α к оси трубок воздействуют на приемную поверхность микрофона сдвинутыми по фазе, т.е. задержанными по времени.
зад
зв
зв
В крайнем случае при α=90° величина временной задержки максимальна и равна Δt=d/C, где d - либо разница в длине в ближайших трубок, либо расстояние между отверстиями, C - скорость звука.
зад
Таким образом, изменяя угол α от одного крайнего положения при α=0 до другого при α=90° в известном способе наблюдаются изменения задержки Δt от нуля (при α=0) до максимума.
При α≠0 величину задержки можно записать в виде (см. фиг.1):
<mrow><msub><mrow><mtext>Δt</mtext></mrow><mrow><mtext>зад</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mtext>d</mtext><mrow><msub><mtext>C</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><mtext>d</mtext><mo>⋅</mo><mtext>cosα</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>C</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext>откуда</mtext><mtext> </mtext><msub><mrow><mtext>Δt</mtext></mrow><mrow><mtext>зад</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mtext>C</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mtext>d(1</mtext><mo>−</mo><mtext>cos</mtext><mtext> </mtext><mtext>α)</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(1)</mtext></mrow>
зад
зв
зв
зв
зв
зв
зв
зв
Произведение Δt·C имеет размерность длины и, следовательно, применительно к звуку соизмерима с длиной волны звуковых колебаний (λ=С/f, где f - частота звуковых колебаний), т.е. задержка по фазе на 180° соответствует задержке равной 0,5λ. В частности, два звуковых колебания одной частоты и одинаковой амплитуды, задержанные относительно друг друга на 0,5λ, полностью компенсируют друг друга и звуковое давление в такой точке равно нулю.
зв
нч
зв340
Таким образом, выражение (1) характеризует известный способ и позволяет при заданных значениях α и d рассчитать, на какой частоте звука f следует ожидать полную компенсацию звукового давления в микрофоне на его приемной поверхности. Так, при нижней частоте звукового сигнала f=340 Гц 0,5λ=0,5 м и длина звукового канала (трубки) при α=20° составит:
<mrow><mtext>d</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>0</mtext><mtext>,5</mtext><mo>⋅</mo><msub><mtext>λ</mtext><mrow><mtext>зв340</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><mtext>1</mtext><mo>−</mo><mtext>cos</mtext><mtext> </mtext><mtext>α</mtext></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>0</mtext><mtext>,5</mtext></mrow><mrow><mtext>1</mtext><mo>−</mo><mtext>0</mtext><mtext>,9397</mtext></mrow></mfrac><mo>≅</mo><mfrac><mrow><mtext>0</mtext><mtext>,5</mtext></mrow><mrow><mtext>0</mtext><mtext>,06</mtext></mrow></mfrac><mo>≅</mo><mtext>8</mtext><mtext>,3 м</mtext></mrow>
а при α=45° и d~1,7 м.
зв
При увеличении f общая длина звуковых каналов, конечно, уменьшается, однако для репортерских задач и приеме речевых сигналов микрофоны на базе известного способа оказываются либо очень длинными, либо теряют острую направленность при приеме звука. Указанное противоречие, которое следует из выражения (1), является основным недостатком известного способа.
По своим техническим характеристикам известный способ формирования остронаправленного приема звука по [1, 2] можно рассматривать как прототип (аналог) предлагаемого способа, техническим решением которого является уменьшение линейных размеров приемника при улучшении остроты направленности приема звука.
зад
Предлагается способ остронаправленного приема звуковых волн, в котором прием звука осуществляются либо входами звуковых каналов в виде трубок с линейно изменяющейся длиной, а противоположные концы трубок объединяют в предкапсюльном объеме микрофона электродинамического, или конденсаторного типа, в который поступают звуковые волны только из звуковых каналов, либо прием осуществляют через вход одного канала с наличием по его длине линейно расположенных отверстий, в который звуковые волны поступают как в упомянутые выше трубки, а противоположный конец канала входит в упомянутый предкапсюльный объем того же микрофона. В соответствии с предложением используют два звуковых канала - трубки равной длины, которые в предкапсюльном объеме микрофона объединяют так, что оси концов каналов устанавливают либо по нормали к приемной плоскости микрофона, причем сами каналы при выходе из предкапсюльного объема разводят путем их отгиба на 180° в противоположные стороны и на длине этих отгибов не менее 10 см от места отгиба формируют условную единую ось каналов, параллельную упомянутой приемной плоскости микрофона, либо звуковые каналы вводят в предкапсюльный объем микрофона так, что оси каналов сразу образуют условную единую ось каналов параллельную приемной плоскости микрофона, а за пределами микрофона эту ось сохраняют единой на длине не менее 10 см по обе стороны от микрофона, при этом направление каналов на источник звука обозначают нулевым, когда условную единую ось каналов располагают параллельно фронту звуковых волн источника, а при боковых воздействиях фронтов звуковых волн под углом ±α по отношению к нулевому положению единой оси каналов звуковые волны поступают на приемную поверхность микрофона с временной задержкой Δt, которую определяют из выражения:
<mrow><msub><mrow><mtext>Δt</mtext></mrow><mrow><mtext>зад</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>ΔL</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>C</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>L</mtext><mo>⋅</mo><mtext>sinα</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>C</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>  (2)</mtext></mrow>
1
2
1
2
где ΔL=L·sin α, a L=L+L - расстояние между входами на концах звуковых каналов, а L и L являются длинами трубок, отсчитанных от микрофона, ΔL - расстояние между входами в каналы, измеренное по нормали к фронту звуковой волны.
max
max
В другом варианте предложен способ, в котором изменяют расстояние L от значения L, при котором условную единую ось каналов сохраняют по всей длине трубок до значения L<L, которые получают путем изгиба звуковых каналов от размера не менее 10 см симметрично в направлении к предполагаемому источнику звука или в виде прямого отгиба, или отгиб выполняют в виде части круга или эллипса, при этом оси отогнутых каналов образуют плоскость, которая может быть либо параллельной приемной плоскости микрофона, либо под прямым углом к этой плоскости.
Еще в одном варианте предложен способ, в котором в стенках звуковых каналов дополнительно располагают симметрично относительно микрофона отверстия на стороне трубок, которые направляют на источник звука.
Сущность предложенного способа поясняется следующими схемами и рисунками:
Фиг 1 - остронаправленный приемник звука трубчатого типа, где 1 - звуковая волна, 2 - фронт звуковой волны, 3 - акустические входы в трубки, 4 - приемные звуковые каналы (трубки), 5 - предкапсюльный объем, 6 - микрофон, 7 - приемная плоскость микрофона;
Фиг 2 - остронаправленный приемник звука типа «бегущая волна», где 8 - отверстия в звуковом канале;
Фиг 3 - первый вариант устройства реализации предложенного способа остронаправленного приема звука, где 9 - условная единая ось каналов звука;
Фиг 4 - второй вариант реализации предложенного способа, где 10 - элемент, исключающий прямую связь между каналами;
Фиг 5 - варианты конструктивного исполнения отгибов звуковых каналов при остронаправленном приеме звука и расположение приемной плоскости микрофона относительно плоскости осей каналов.
Предложенный способ остронаправленного приема звука может быть реализован схемами, изображенными на фиг.3 и фиг.4. На фиг.3 звуковая волна 1 с фронтом 2 воздействует на акустические входы 3 звуковых каналов 4. При этом каналы 4 вводят в предкапсюльный объем микрофона 6 так, что оси каналов нормальны к приемной плоскости 7 микрофона 6. При выходе из предкапсюльного объема 5 каналы разводят путем их отгиба на 180° в противоположные стороны. С помощью этих отгибов формируют условную единую ось 9 каналов, которая параллельна приемной плоскости 5 микрофона 6. Эту ось сохраняют единой на длине каналов не менее 10 см по обе стороны от микрофона.
На фиг.4 звуковые каналы 4 вводят в прелкапсюльный объем так, что оси звуковых каналов 4 сразу образуют единую ось 9 параллельную приемной плоскости 5 микрофона 6. За пределами микрофона 6 эту единую ось сохраняют на длине не менее 10 см по обе стороны оси микрофона.
На фиг.3 также показаны два случая воздействия звуковой волны 1 с фронтом 2 на акустические входы 3 звуковых каналов 4:
- в первом случае, в котором условную единую ось 9 располагают параллельно фронту 2, показано нулевое положение звуковых каналов, в котором α=0 - угол между фронтом волны и условной единой осью каналов;
- во втором случае воздействие звуковой волны 1 с фронтом 2 образует угол α между фронтом волны 2 и единой осью каналов 9.
Если в первом случае при равенстве длины каналов и α=0 звуковые волны вошедшие в акустические каналы воздействуют на приемную поверхность микрофона синфазно (амплитуды складываются), то во втором случае синфазность нарушается. Это связано с тем, что звуковая волна своим фронтом попадает сначала в один канал, а через какое-то время - в другой.
1
зв
<mrow><mfrac><mrow><mi>В</mi><mi>С</mi></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>з</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>з</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Как показано на фиг.3 фронт волны (т. А и В) в акустическом входе 4 левого канала т. А достигнет микрофона через время L/С. Фронт волны в акустическом входе 4 правого канала в т.С достигнет микрофона через время
.
Общее время задержки оказывается равным:
<mrow><msub><mrow><mtext>Δt</mtext></mrow><mrow><mtext>зад</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>ВС</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mtext>L</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mrow><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>ВС</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>  (3)</mtext></mrow>
1
2
так как по условию L=L.
1
2
Из треугольника АВС на фиг.3 сторона ВС=(L+L)·sin α, откуда
<mrow><msub><mrow><mtext>Δt</mtext></mrow><mrow><mtext>зад</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>ΔL</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mtext>(L</mtext></mrow><mtext>1</mtext></msub><mo>+</mo><msub><mtext>L</mtext><mtext>2</mtext></msub><mtext>)</mtext><mo>⋅</mo><mtext>sinα</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>L</mtext><mo>⋅</mo><mtext>sinα</mtext></mrow><mrow><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>  (4)</mtext></mrow>
где L - расстояние между входами в звуковые каналы, ΔL=L·sin α - расстояние между входами в каналы, измеренное по нормали к фронту звуковой волны.
зад
зв
зв
зв
Из (4) Δt·С - метрический размер временной задержки, которую можно соизмерить с длиной звуковой волны, равной λ. Как уже отмечалось при задержке между каналами равной 0,5λ (сдвиг по фазе 180°) звуковые колебания в микрофоне компенсируют друг друга.
зад
зв
зв
1
2
Используя выражение (4) и задавая величину задержки Δt·С=0,5·λ при заданном угле α, определим длину звуковых каналов (L+L) для трех значений звуковой частоты - 350 Гц, 500 Гц, 2000 Гц, при которых происходит компенсация звуковых давлений в микрофоне.
1
2
В таблице 1 приведены расчетные значения длины звуковых каналов (L+L) от углов а для предложенного способа остронаправленного приема звука, а в таблице 2 для сравнения приведены расчетные данные для прототипа с использованием выражения (1), где
<mrow><mtext>d</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mtext>Δt</mtext></mrow><mrow><mtext>зад</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mtext>С</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><mtext>1</mtext><mo>−</mo><mtext>cosα</mtext></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mtext>d</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>0</mtext><mtext>,5</mtext><mo>⋅</mo><msub><mtext>λ</mtext><mrow><mtext>зв</mtext></mrow></msub></mrow><mrow><mtext>1</mtext><mo>−</mo><mtext>cosα</mtext></mrow></mfrac></mrow>
или
Таблица 1
α, °
10
20
30
40
sin α
0,174
0,342
0,50
0,0643
f<sub>зв</sub>=340 Гц
0,5λ<sub>зв</sub>=0,5 м
(L<sub>1</sub>+L<sub>2</sub>), м
2,9
1,46
1,0
~0,75
f<sub>зв</sub>=500 Гц
0,5λ<sub>зв</sub>=0,34 м
(L<sub>1</sub>+L<sub>2</sub>), м
~2,0
1,0
~0,7
0,5
f<sub>зв</sub>=2000 Гц
0,5λ<sub>зв</sub>=0,085 м
(L<sub>1</sub>+L<sub>2</sub>), м
~0,5
~0,25
~0,19
~0,13
Таблица 2
α, °
10
20
30
40
cos α
0,985
0,940
0,866
0,766
1 - cos α
0,015
0,06
0,134
0,234
f<sub>зв</sub>=340 Гц
0,5λ<sub>зв</sub>=0,5 м
d, м
33
~8,3
~3,65
~2,1
f<sub>зв</sub>=500 Гц
0,5λ<sub>зв</sub>=0,34 м
d, м
23
5,7
~2,5
1,4
f<sub>зв</sub>=2000 Гц
0,5λ<sub>зв</sub>=0,085 м
d, м
~5,7
~1,41
0,62
0,36
Из таблиц 1 и 2 следует, что на указанных частотах в области острых углов направленности а (от 10° до 20°) предложенный способ имеет очевидные преимущества перед прототипом в линейных размерах звуковых каналов.
Необходимо отметить, что схема на фиг.4 требует размещения в предкапсюльном объеме 5 между вводами каналов 3 элемента 10, которым исключают прямую связь между звуковыми каналами. Такой элемент устанавливают с зазорами между концами каналов для исключения искажений воздействующих звуковых волн. Конструкцию такого элемента наиболее целесообразно выбирать в процессе экспериментальных испытаний.
max
1
2
max
Предложен также способ, в котором изменяют расстояние L от максимального значения L=L+L на единой оси каналов по всей их длине до значения L<L, которое получают путем изгиба звуковых каналов от расстояния не менее 10 см от микрофона симметрично в направлении к предполагаемому источник звука. На фиг.5 показаны два варианта отгиба звуковых каналов - после отгиба канал сохраняется линейным или отгиб выполняют в виде части круга (на фиг.5) или эллипса. Отогнутые каналы всегда располагают на одной плоскости. На фиг.5 показаны также 2 варианта размещения микрофона с приемной поверхностью, причем в первом варианте плоскость отогнутых каналов располагают параллельно приемной поверхности микрофона, а во втором варианте - эти плоскости взаимно перпендикулярны.
Изменение L даже в процессе практической эксплуатации микрофона, изготовленного по предложенному способу, можно отнести к его достоинству, так как позволяет учитывать изменение частотного диапазона акустических сигналов (смещение частоты в сторону увеличения). Отгибы выполняют с расстояния не менее 10 см в обе стороны от микрофона на единой условной оси. По мнению авторов, сохранение условной оси единой на длине 20 см обеспечивает комфортные условия наведения микрофона на источник звука.
Предложенный способ предполагает также, что на звуковых каналах, обращенных в направлении на источник звука, располагают дополнительно отверстия, которые как и акустические входы на концах каналов выполняют функции акустических входов. Такие каналы, как отмечено в [2], делают остронаправленный прием звука в определенном частотном диапазоне звуковых частот. Дополнительные отверстия располагают на стенках каналов симметрично относительно микрофона на единой оси, а сами отверстия направляют, как и отгибы каналов, в сторону источника звука, а их число определяют частотным диапазоном регистрируемых звуковых сигналов. По мнению авторов, дополнительного изображения упомянутых отверстий на каналах не требуется, так как их наличие не влияет на суть предложенного способа.
Таким образом, предложен способ остронаправленного приема звука, который существенно уменьшает габаритные размеры и улучшает характеристики направленности микрофонов.
Литература
1. Учебник для вузов. И.А. Алдошин, Э.И. Володин, А.П. Ефимов и др. «Электроакустика и звуковое вещание». - М.: Горячая линия - Телеком. Радио и связь, 2007 г. - 872 с.
2. Учебник для вузов. Ш.Я. Вахитов, Ю.А. Ковалгин, А.А. Фадеев, Ю.П. Щевьев. «Акустика». - М.: Горячая линия - Телеком, 2009 г. - 660 с.