АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ВХОДЕ МИКРОФОНА

АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ВХОДЕ МИКРОФОНА
Предлагаемая полезная модель относится к области акустических устройств, предназначенных для повышения звукового давления на входе микрофона в условиях низкого уровня полезного сигнала.
Целевым назначением предлагаемой полезной модели является увеличение чувствительности акустической системы, состоящей из предлагаемого акустического устройства и микрофона (акустического преобразователя с входным патрубком) в диапазоне высоких частот, что позволяет использовать микрофон в удаленных от источника полезного сигнала зонах.
8
5
Акустическое устройство предназначено для совместной работы с микрофонами (акустическими преобразователями с входным патрубком) со значением входного сопротивления не менее 10 Нс/м , в частности, с акустическим преобразователем электромагнитного типа для работы в системах на основе высокоомных волноводов (регистрационный номер Патента на полезную модель № 109295 от 10.10.2011 г.). Использование акустического устройства совместно с микрофоном позволяет компенсировать снижение уровня полезного сигнала в удаленных от источника зонах либо усилить сигнал при его низком исходном уровне.
Известно устройство, обеспечивающее усиление звукового давления (Патент на полезную модель CN2842948 Y (WEN YONGQUAN) от 29.11.2006 г.). Основной частью устройства является полая трубка. Открытый торец трубки имеет форму рупора. В закрытый противоположный торец трубки вмонтирован микрофон. В месте крепления микрофона установлена мягкая антивибрационная втулка. По утверждению автора принцип работы устройства аналогичен принципу фокусировки телескопа на удаленном объекте. Устройство представлено в нескольких вариантах исполнения, в том числе: с нарезками на внутренней поверхности, с изменяемой длиной, изменяемым внутренним диаметром.
,
d -
l
-
Исходя из физических принципов работы волноводов (звукопроводов при условии где  диаметр;  -длина волновода;  длина звуковой волны), данное устройство действительно усиливает звуковое давление, приходящее на вход микрофона благодаря резонансным свойствам волновода (стоячим волнам, которые возникают в цилиндрическом волноводе постоянного сечения конечной длины). Количество резонансов (число максимумов частотной характеристики или пучностей стоячей волны) определяется длиной волновода, а амплитуда резонансов (степень усиления звукового давления) определяется диаметром волновода и его акустической нагрузкой, в данном случае, величиной входного импеданса микрофона. Рупор на открытом торце волновода предназначен для согласования волновых импедансов волновода и открытой воздушной среды, а также для придания устройству направленных свойств.
с
п
В идеализированном случае, когда нагрузка на волновод представляет собой абсолютно жесткую стенку скорости частиц обращаются в ноль, поэтому на них возникают пучности давления, а на длине звукопровода укладываются целое число полуволн. Отсюда следует, что для волнового числа при собственных колебаниях должно удовлетворяться уравнение , где - волновое число; -круговая частота; f- частота;  - скорость звука в воздухе;  - целое действительное число. Частоты собственных колебаний такого волновода составляют арифметическую прогрессию
Периодичность резонансных свойств является основным недостатком данного устройства, поскольку не позволяет повышать давление на конкретных частотах, т.е. формировать частотную характеристику чувствительности заданной формы. Наличие максимумов частотной характеристики чувствительности устройства в низкочастотной области, обусловленных резонансными свойствами волновода, позволяет устройству принимать помимо полезного сигнала все низкочастотные помехи (транспортные и фоновые шумы).
В отличие от прототипа предлагаемая полезная модель представляет собой устройство, состоящее из двух ступеней (цилиндрических трубок) и втулки для установки устройства на входной патрубок микрофона. В самом устройстве микрофона нет. Отсчет ступеней осуществляется со стороны втулки для соединения с патрубком микрофона. Внутренние размеры первой от входного патрубка ступени:
диаметр от 2,4 до 2,6 мм, длина 14 до 16 мм, второй ступени: диаметр от
5,5 до 6,5 мм, длина 24 до 26 мм. Акустическое устройство представлено на фиг. 1.
-
Ступени представляют собой четвертьволновые резонаторы (при условии акустической нагрузки на торец резонатора, равной акустическому холостому ходу), т.е. их длина рассчитывалась из выражения , где  длина звуковой волны на частоте f. Длина каждой ступени определяет частоту, на которой повышается чувствительность согласно выражению: , где с - скорость звука в воздухе. Приблизительное равенство в выражениях отражает характер нагрузки, несколько отличный в реальности от акустического холостого хода.
Отсюда длина первой ступени, равная с учетом технологического разброса 14-16 мм, обеспечивает повышение чувствительности в диапазоне частот 5300-6000 Гц, длина второй ступени 24-26 мм обеспечивает повышение чувствительности в диапазоне частот 3300-3600 Гц.
S
/ S
S
/S
1
АП
2
1
Ступени акустического устройства и входной патрубок микрофона (акустического преобразователя) представляют собой простейший акустический трансформатор. Отношение площадей этих элементов называется коэффициентом трансформации. Отношение площадей сечения первой ступени и входного патрубка акустического преобразователя (диаметр входного патрубка составляет 1,4 мм, патент № 109295) с учетом диапазона изменения диаметра ступени составляет  3-3,5, что соответствует увеличению чувствительности на 8-10 дБ, соотношение площадей ступеней составляет 15-22, что соответствует повышению чувствительности на 16-24 дБ.
В качестве примера на фиг. 2 проиллюстрирован результат применения акустического устройства. Пример рассчитан для размеров ступеней: первая ступень диаметр 2,5 мм, длина 15 мм; вторая ступень диаметр 6 мм; длина 25 мм.
Устройство выполнено из полиамида, ступени соединены клеевым швом. На торце акустического устройства со стороны первой ступени (1) установлена резиновая втулка (3) для стыковки с входным патрубком микрофона. Внутренний диаметр втулки составляет 3 мм.
Применение акустического устройства совместно с микрофоном позволяет повысить значение характеристической чувствительности акустической системы в диапазоне частот от 200 до 8000 Гц на величину более 10 дБ. На резонансных частотах акустического устройства чувствительность повышается на величину более 10-18 дБ.
В отличие от прототипа устройство позволяет формировать частотную характеристику чувствительности путем повышения акустического давления в заданном диапазоне частот, преимущественно в высокочастотной области.
Целью предлагаемого технического решения являлось создание простого в конструктивном исполнении, удобного для эксплуатации и относительно дешевого акустического устройства, обеспечивающего повышение чувствительности акустической системы на основе микрофона электромагнитного или электретного типа преимущественно в области высоких частот.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в реализации акустического устройства, обеспечивающего повышение характеристической чувствительности системы в диапазоне частот от 200 до 8000 Гц на величину более 10 дБ за счет:
- использования резонансных свойств отрезков цилиндрических волноводов и различия их волновых импедансов вследствие скачкообразного перепада сечений;
- конструктивного исполнения, предусматривающего плотное соединение акустических устройств с входным патрубком (без акустической утечки) с использованием резиновой втулки.
8
5
В результате реализации данных технических решений характеристическая чувствительность акустических систем на основе микрофонов со значением входного сопротивления не менее 10 Нс/м , может быть увеличена на величину более 10 дБ в номинальном диапазоне частот микрофона, что позволит использовать микрофоны в условиях низкого уровня полезного сигнала и на удаленном расстоянии от источника.