НАПРАВЛЕННЫЙ ПРИЕМ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ В МАЛОМ ТЕЛЕСНОМ УГЛЕ
DIRECTIONAL RECEPTION OF SOUND SIGNALS IN SOLID ANGLE

Предлагается способ направленного приема звуковых сигналов в сверхмалом телесном угле, который предназначен для обнаружения трудно наблюдаемых или не наблюдаемых источников звука, а также может быть использован в ряде акустических применений научного и оперативного характеров.
Известен способ остронаправленного приема звуковых сигналов [1], который принят авторами как прототип (аналог) предлагаемого способа.
В качестве недостатка прототипа следует указать отсутствие расчетных данных величины телесного угла, в котором осуществляют прием звука от ненаблюдаемых источников звука в условиях присутствия акустических помех.
Техническим решением предлагаемого способа является устранение отмеченного недостатка прототипа, а именно достижение значения телесного угла при регистрации звука от ненаблюдаемых источников звука равного ±(10÷15).
max
cp
min
peз
peз
Предложенный способ направленного приема звуковых сигналов в малом телесном угле включает в себя операции размещения не менее четырех приемных микрофонов на жесткой линейной основе, при этом нулевое направление приема звука микрофонами при α=0 определяют нормальным положением направления на источник звука к оси упомянутой жесткой основы. При этом выходы пары микрофонов, расположенных на максимальном расстоянии друг от друга L, подключают к выходам операционного суммирующего усилителя через низкочастотные фильтры, а пары микрофонов, расположенных на расстояниях L и L, подключают соответственно к суммирующим усилителям через средне- и высокочастотные фильтры. Выходные сигналы с упомянутых суммирующих усилителей используют для формирования единого выходного сигнала. В соответствии с предложением, в упомянутых фильтрах полосу пропускания частот относительно резонансной частоты F устанавливают равной ±(30÷40) Гц, частоту F устанавливают из выражения
,
зв
рез
а в качестве микрофонов используют однотипные однонаправленные микрофоны, оси диаграмм направленности которых направлены в сторону источника звука, при этом на выходе каждого суммирующего усилителя, связанного с парой микрофонов, устанавливают регулирующие пороговые устройства, выходные сигналы которых используют для формирования единого выходного сигнала, где С - скорость звука в воздухе, L — расстояние между парой микрофонов, α* — угол прихода звуковой волны на пару микрофонов равный 35÷45°, при котором на резонансной частоте F на выходе суммирующих усилителей выходной сигнал равен нулю.
Далее предлагаемый способ поясняется следующими чертежами.
max
cp
min
Фиг. 1 - остронаправленный приемник звука, предложенный в работе [1], где 1 — звуковая волна; 2 - фронт звуковой волны; 3 — жесткая линейная основа (штанга) с микрофонами 4; 5 - разъемы, обеспечивающие механическое крепление и электрическое соединение микрофонов 4 с ручкой 6; 7 - органы регулировки порогов и усиления; 8 - разъемы с выходными сигналами; L, L, и L — расстояния между парами микрофонов 4 на жесткой основе 3 (штанга); α — угол между фронтом звуковой волны 2 и осью линейной основы (при α=0 фронт 2 параллелен оси основы).
Фиг. 2 - диаграмма направленностей однонаправленного микрофона (кардиоида) из работы [2].
peз1
max
peз2
cp
peз3
min
Фиг. 3 - функциональная схема включения микрофонов в предложенном способе приема звука, где 9, 10, 11 - соответственно фильтры с резонансными частотами F(L), F(L) и F(L) с полосой пропускания каждого фильтра равной ±(30÷40) Гц; 12 - операционный суммирующий усилитель; 13 - элементы регулировки амплитудного порога на выходе усилителя 12; 14 - выходные гнезда звукового сигнала.
max
cp
min
зад
На Фиг. 1 показано устройство приемника звука из работы [1]. Звуковая волна 1 с фронтом 2 воздействует на микрофоны 4, размещенные на жесткой линейной основе - штанге 3. Расстояние между крайними микрофонами 4 составляет L, а два других микрофона по отношению к крайним микрофонам размещены на расстояниях L и L. При параллельности фронта 2 и оси штанги (основы с микрофонами 4) звуковые колебания будут поступать на микрофоны 4 в одной фазе, то есть при α=0. При α≠0 прием звуковых волн парами микрофонов происходит со сдвигом по фазе или с временной задержкой Δt находим из выражения
или
зад
зв
Величина Δt⋅С имеет размеренность длины и может быть выражена в долях длины волны звука. Так как АС есть расстояние между микрофонами, то (1) можно записать в виде
откуда
peз
Выражение (2) соответствует полной амплитудной компенсации звукового сигнала на выходе суммирующего усилителя на частоте F при угле поступления звуковой волны равном α*. Так при L=0,5 м и α*=45°:
Особенности слуха человека заключаются в том, что воспринимаемый сложный звуковой сигнал анализируется по частоте и амплитуде с определенными характеристиками |2].
peз1
peз2
peз3
Далее анализ предложенного способа будет выполняться на примере приема речи человека. Речевой тракт - сложный непрерывно перестраеваемый фильтр с набором резонансов, которые создаются полостями рта, носа, носоглотки. Монотонный спектр импульсов основного тона, возникающий в голосовых связках, преобразуется в спектр с максимумами и минимумами. Такие максимумы в спектре называют формантами [2, 3]. Первая форманта имеет резонансную частоту F в диапазоне 400÷600 Гц, вторая форманта F - 0,8÷1,0 кГц, третья форманта F - 1,2÷1,8 кГц. Поэтому авторы предлагают в качестве резонансных частот упомянутых фильтров использовать указанные резонансные формантные частоты [1].
max
cp
min
Фиксированные расстояния между парами микрофонов L, L и L, таким образом, должны соответствовать (см. (2)) частотам из указанных диапазонов формант при заданном угле α*.
peзl
peз2
peз3
По мнению авторов угол α* должен устанавливаться равным 35÷45°. Такие значения α* на указанных частотах F, F, HF, с одной стороны, обеспечивают полную амплитудную нейтрализацию акустических помех с пары микрофонов. С другой стороны, при поступлении помехи в угле ±2α* сигналы с пары микрофонов в суммирующем усилителе складываются. Для уменьшения амплитуды таких помех предложено использовать микрофоны с односторонней направленностью с диаграммой в виде кардиоиды или суперкардиоиды. Чувствительность таких микрофонов при углах α*=70÷80° уменьшается до значений 0,05÷0,6. Таким образом, предложения установления угла α* в диапазоне 35÷45° и использование однонаправленных микрофонов в предлагаемом способе обеспечивают пространственную селекцию полезного сигнала.
В прототипе не отмечены полосы пропускания (резонансных) фильтров. Авторами выполнен расчет амплитуд двух синусоидальных величин с одинаковой частотой и амплитудой в зависимости от величины фазового сдвига между ними. Приняв одну из фаз за нуль, сумма амплитуд двух синусоидальных величин имеет вид
mах
cp
min
peз.min
рез.ср
рез.mах
рез
∑
где А - амплитуда синусоид, ϕ - фазовый сдвиг между синусоидами. Поступающие на любую пару микрофонов с расстояниями между ними L, L и L звуковые сигналы при углах α*=35÷45° на частотах F, F и F обеспечивают сдвиг по фазе равный 180° (0,5λ), что и обеспечивает A=0. Но акустические помехи могут поступать на эти пары микрофонов в углах α=0÷90° и в широком частотном диапазоне.
∑
1
2
peз
peз
В таблице 1 приведены значения A при А=А=1,0 и для L≅0,5 м, α*=45° имеем F=486 Гц и ширина полосы пропускания (относительно F) равна ±30 Гц и ±50 Гц.
Из таблицы 1 следует, что при установлении на выходе операционных усилителей, на входы которых поступают сигналы от упомянутых пар микрофонов, устанавливают пороговое устройство, при уровне порога равном ~1,60 звуковой сигнал может быть зафиксирован в телесном угле ±15°.
peз2
cp
cp
peз3
min
∑
Понятно, что для резонансной частоты второй форманты F≅0,9 кГц расстояние между микрофонами L в соответствии с (2) должно быть L=0,27 м, а для резонансной частоты третьей форманты F≅1,3 кГц расстояние L≅9 см. Также очевидным является и тот факт, что при полосе пропускания ±30 Гц или ±50 Гц относительно соответствующей резонансной частоты будут соответствовать значениям A, приведенным в таблице 1.
Σ
max
peз1
max
∑
Для наглядности и сравнения в таблице 2 приведены расчетные значения α*=35° (при котором A=0). Значения в таблице 1 получены при L - 0,5 м и в этом случае F=5921 Гц (для ее уменьшения следует увеличивать L), а значения А приведены при полосе пропускания ±30 Гц.
Из таблицы 2 следует, что при установлении порога на выходе суммирующих усилителей равного, например, 1,8, телесный угол, в котором может быть зафиксирован сигнал в указанной полосе частот, составит ±10°.
Акустические помехи, поступившие на пары микрофонов в угле 75÷90°, уменьшаются за счет использования однонаправленных микрофонов.
∑
Следует отметить, что использованная при расчетах A полоса пропускания фильтров практически равна критическим полосам частот слуха человека [3]. Для этих полос пропускания характерным является факт, что тон на формантной частоте в указанной полосе пропускания может быть услышан, если уровень равномерного шума будет превышать уровень сигнала на 1,8 дБ.
Обобщая данные таблиц 1 и 2 можно сделать следующие заключения:
∑
- углы α*, при которых A=0, можно назвать углами компенсации, и их рекомендуемые значения равны 35÷45°;
- рекомендованные значения углов α* обосновывают применение однонаправленных микрофонов;
- регулировка порога при регистрации суммирующего сигнала в диапазоне (1,5÷1,8)⋅А позволяет регулировать величину телесного угла, в котором можно зафиксировать сигнал от источника звука в полосе частот трех формант человеческой речи, равного ±10÷15°.
Таким образом, предложен способ регистрации звуковых сигналов в малом телесном угле (±10÷15°), в котором использованы:
- пространственная селекция при углах компенсации α*=35÷45°;
- частотная селекция, связанная с использованием основных частот фильтров равных формантным и установлением полосы пропускания фильтров (30÷40) Гц;
- амплитудная селекция на выходе суммирующих усилителей пар микрофонов в виде регулирующих амплитудных порогов.
max
cp
min
На Фиг. 3 приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ. Выходные сигналы с соответствующих пар микрофонов 3 с расстоянием между ними L, L и L через фильтры 9, 10 и 11 подключают к выходам суммирующих операционных усилителей 12. Выходные сигналы этих усилителей через элементы с регулирующим порогом 13 подключают к последующим суммирующим усилителям для формирования единого выходного сигнала, который подключают к выходным гнездам 14.
peз
min
peз
max
Следует отметить, что при наличии 4-х микрофонов, расположенных на жесткой основе - штанге, число возможных сочетаний пар микрофонов равно 6-ти. В настоящем предложении и в формуле отмечено использование только 3-х пар микрофонов. Это связанно с тем, что суть предложенного способа достаточно полно поясняется использованием 3-х пар. Использование других сочетаний, частоты которых F определяются неравенством F<F<F, с одной стороны, увеличивает эффективность регистрации звука от ненаблюдаемых источников звука, а с другой стороны, может существенно увеличить массово-габаритные характеристики устройства за счет фактически удвоения схемы обработки сигнала и ее питания. При снятии жестких требований к массово-габаритным характеристикам возможно использование сочетания 6-ти пар микрофонов.
Авторы не указывают типы микрофонов, которые могут быть использованы в предложенном способе, так как они достаточно широко представлены в информационных предложениях фирм производителей в России и за рубежом.
Конструктивное исполнение устройства по схеме на Фиг. 1 предлагает размещение на лицевой панели ручек 6-ти органов управления (3 регулировки порогами при регистрации и 3 ручки управления суммирующими усилителями при форматировании единого выходного сигнала) и гнезд выходных сигналов для подключения, и головных наушников, и других записывающих и передающих устройств.
Используемая литература
1. Аленин B.C., Крутяков Ю.А., Венедиктов М.Д., Кочалов А.Ю. Способ ОН приема звуковых волн. - Патент РФ №2538031 от 16.10.2012 г., патентодержатель ФГОБУ ВПО МТУСН.
2. Алдошин И.А., Вологин Э.И., Ефимов А.П. и др. Электроакустика и звуковое вещание. -М.: Горячая линия - Телекон, 2007, 863 стр.
3. Сапожков М.А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. - М.: Связьиздат, 1968, 452 стр.
4. Audio - technica (alweys - listening), каталог продукции, 2013-2014.