МИКРОФОННОЕ УСТРОЙСТВО С ОСТРОНАПРАВЛЕННОЙ ПРИЕМНОЙ ДИАГРАММОЙ
MICROPHONE DEVICE WITH SHARP DIRECTIONAL RECEIVING DIAGRAM

Предлагаемое микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой предназначено для использования в репортерских или специальных записях звука в присутствии внешних шумов.
зв
Известны устройства остронаправленных микрофонов [1, 2] двух типов. В первом типе микрофонов принцип острой направленности использует волновой характер звука, который поступает в приемные звуковые каналы в виде трубок, длины которых связаны с длиной волны звука λ. Звуковые волны, направленное распространение которых совпадает с осью трубок, в конце каналов воздействуют на приемник звука с одинаковой фазой. Звуковые волны, направленные под углом к оси трубок, также попадают в канал. Так как длина трубок различна, то эта разница обеспечивает на приемнике звука такое расположение фаз волны, при котором их воздействие на приемник звука практически исключается.
Во втором типе микрофонов острая направленность приема звука обеспечена расположением приемника-преобразователя звука в фокусе рефлекторного параболического зеркала.
зв
зв
Работа обоих типов микрофонов основана на зависимости их геометрических размеров от длины волны звука λ и, следовательно, зависимости диаграммы направленности от λ. При этом считается, что полоса частот приемника-преобразователя не влияет на диаграмму направленности микрофонного устройства.
По своим техническим параметрам второй тип микрофонов с остронаправленной приемной диаграммой может рассматриваться как АНАЛОГ (прототип) предлагаемому микрофону, а само предложение направлено на устранение указанных недостатков прототипа.
в.гр
Микрофонное устройство с остронаправленной приемной диаграммой звука, включающее в себя приемник-преобразователь звука в электрический сигнал, который помещен в фокусе рефлекторного зеркала, согласно предложению в качестве рефлектора применено параболическое или сферическое зеркало, в котором высота стрелы параболического или сферического сегмента h определена неравенством , причем коэффициент поглощения звука поверхностью зеркала не более 0,03, а само зеркало размещено в торце приемного звукового канала, выполненного в виде цилиндра или усеченного конуса, при этом диаметр цилиндра или меньший диаметр конуса равен диаметру зеркала. На внутреннюю поверхность звукового канала нанесен материал с коэффициентом поглощения звука не менее 0,7, а отношение длины звукового канала к внутреннему диаметру цилиндра или к среднему диаметру конуса не менее 3, где с - скорость звука, f - верхняя граничная частота звукового сигнала.
В другом варианте микрофонного устройства предложено в торце приемного звукового канала разместить приемник-преобразователь прямого воздействия звука, при этом диаметр приемника-преобразователя совпадает с внутренним диаметром цилиндра или меньшим диаметром конуса.
В дальнейшем реализация предлагаемого устройства микрофона поясняется и иллюстрируется следующими чертежами:
ср.м
cp.м
фиг.1 - диффузное отражение атомов и молекул воздуха звуковой волны от поверхности с неровностями Δ>>d (d - средний диаметр молекул воздуха), где 1 - звуковой луч, 2 - отражающая преграда, 3 - вид диффузного отражения;
фиг.2-2а - изображение сферического зеркала, где 4 - зеркало, 5 - диаметр зеркала, 6 - фокус зеркала при OF>h, h - стрела сферического или параболического сегмента; 2б - изображение параболического зеркала при OF<h; 2в - изображение параболического зеркала при OF>h;
фиг.3 - изображение приемного звукового канала в виде цилиндра или усеченного конуса 7, где 8 - рефлектор, 9 - приемник-преобразователь звука, 10 - внутреннее поглощающее звук покрытие, 11 - держатель приемника;
кр
фиг.4 - на примере цилиндрического звукового приемного канала угловое положение интересующих источников звука 12, 2γ - зона возможного положения интересующего источника 12, 2φ - зона, за пределами которой второстепенные источники звука 12 не воспринимаются приемником 9;
фиг.5 - изображение звукового канала 7 (цилиндра), совмещенного с приемником-преобразователем звука прямого действия 9.
Работа предлагаемого микрофонного устройства базируется на фундаментальных положениях кинетической теории газа, разработанной в 19 веке [3]. В соответствии с этой теорией атмосферное давление воздуха определяется энергией атомов и молекул, которые находятся в постоянном хаотическом движении, при этом средняя скорость атомов и молекул между столкновениями определяется выражением
где Р - давление газа, ρ - плотность газа.
В 19 веке Лаплас предложил рассчитывать скорость звука в воздухе с помощью формулы [4]
где k - показатель диабаты, который для двухатомных молекул равен 2, а для атомов и молекул воздуха лежит в диапазоне 1,2-1,4.
атм
атм
зв
6
2
3
-5
Видно, что выражения (1) и (2) идентичны и, следовательно, скорость звука в воздухе определяется средней кинетической скоростью атомов и молекул воздуха. Так, при нормальных атмосферных условиях Р=1,01325·10 дн/см, ρ=0,0012932 г/см, 0°С и k=1,4 скорость звука с=331 м/с. При этом следует иметь в виду, что при распространении звука в воздухе средняя длина свободного пробега атомов и молекул составляет ~ 10 см. Однако этот свободный пробег оказывается направленным - от источника звука.
ср.м
-7
Следует также отметить, что средний диаметр атомов и молекул воздуха составляет d≈10 см=0,001 мкм, а это во много раз меньше длины волны видимой области света 0,3-0,7 мкм. Именно это обстоятельство обеспечивает прохождение света через воздух практически без потерь.
cp·м
cp·м
ср.м
Атомы и молекулы воздуха, которые являются единственными носителями звуковой энергии, при встрече со сплошной преградой могут упруго отражаться от нее или поглощаться ею. При малом размере d можно утверждать, что отражение звуковой волны (то есть атомов и молекул) от любых преград может быть только диффузным. На фиг.1 показан диффузный характер 3 отражения падающего звукового луча 1 от поверхности 2, неровности которой Δ много меньше d. Практически в природе не существуют поверхности, неровности которых Δ были бы меньше d.
отр
Значения коэффициента отражения звука α от различных преград, приведенные в учебниках и справочниках [1, 2], не учитывают диффузный характер отражения и, видимо, требуется корректировка этих значений и с учетом также угла падения звукового луча.
Кинетическая теория газа и практика акустических измерений подтверждают сохранение волнового характера отраженного звука и сохранение частоты падающего и отраженного звука (исключением является проявление эффекта Доплера). Необходимо также отметить наличие принципа суперпозиции звуковых волн [3], который заключается в том, что каждая волна, появляющаяся в воздушной среде независимо от присутствия других волн, распространяется так, как если бы других волн нет.
В соответствии с изложенным, отражение звуковых волн от поверхности рефлекторного зеркала будет диффузным. На каждом участке поверхности зеркала, на который падает звуковая волна, в отраженном звуке есть только часть составляющих, направленных на фокус зеркала. Причем это происходит как со звуковым лучом, условная ось которого параллельна оси зеркала, так и с лучом, условная ось которого не совпадает с осью зеркала.
Допустимое отклонение условных осей падающих на зеркало звуковых лучей может быть определено только по результатам экспериментальных исследований диффузного характера отражения. Однако важным является тот факт, что диффузное отражение допускает отклонение условных осей падающих звуковых лучей от оси рефлекторного зеркала без нарушения результатов регистрации их приемником звука.
погл
Требования, которые следует предъявить к поверхности рефлекторного (сферического или параболического) зеркала, заключаются в том, чтобы коэффициент поглощения звука α имел бы минимальное значение.
погл.з
погл
погл
Авторы рекомендуют использовать поверхность рефлектора с коэффициентом α не более 0,03 (α≤0,03). Таким значением α обладают стеклянные и металлические полированные поверхности [4], которые и могут быть рекомендованы для использования в качестве отражающей поверхности рефлектора.
На фиг.2 а, б и в приведены изображения сферического (а) и параболического (б, в) зеркал 4. Высота стрелы сферического и параболического сегмента h определяет степень независимости зеркала от длины волны звука. Действительно, в сферическом и параболическом зеркале при условии, что фокусное расстояние OF больше h наблюдается сдвиг по фазе звуковой волны, приходящей в фокус от различных участков зеркала.
зв
Для сферического зеркала максимальный сдвиг по фазе возникает при отражении от центра зеркала и составляет 2h. Если считать допустимым сдвиг по фазе не более 10%, то есть не более 0,1 λ, то это условие может быть записано в виде
зв
в.гp
в.гр
зв
где с - скорость звука в воздухе, f - верхняя граничная частота звуковой волны, принимаемая приемником звука. Например, при f=3000 Гц и с=340 м/с величина
Диаметр зеркала 5 определяется с помощью выражения
где R - радиус сферы и для рассматриваемого примера при R=40 мм и 50 мм диаметр зеркала 5 оказывается равным 44 мм и 49 мм при расположении приемника-преобразователя звука в фокусе 6 сферического зеркала. Как показывает пример, такой микрофон может быть рекомендован только для низкочастотной части звукового спектра.
3
в.гр
При частотах выше 3 кГц в соответствии с (3) величина h должна уменьшаться до значения менее 1 мм и для приемлемого значения 2 r радиус сферы должен быть большим. Так при f=15000 Гц и h ≈1 мм и при R≈50 мм диаметр зеркала составит 20 мм. Это значит, что при отношении длины звукового канала к его диаметру не менее 3, как это задано в предложении, приемник оказывается расположенным в противоположном от зеркала торце канала. При увеличении R>60 мм приемник вообще может располагаться за пределами канала, что недопустимо.
На фиг.2б и 2в показаны параболические зеркала, у которых фокусное расстояние OF<h (2б) и OF>h (2в). Как видно из чертежей в варианте 2б сдвиг по фазе звуковой волны, попадающей в приемник-преобразователь, находящийся в фокусе зеркала, от центра зеркала и его периферии всегда присутствует. Таким образом, параболическое зеркало с параметрами OF<h оказывается малопригодным для предлагаемого устройства микрофона.
в.гр
3
з
2
Вариант 2в приемлем для приема звука во всем сигнальном диапазоне звука. В этом варианте при OF>h, и, например, f≈15000 Гц в соответствии с (3) h≤1 мм. Диаметр зеркала определяется с использованием уравнения параболы γ=2рх, где γ=r, р=2OF. Таким образом, при х=h=1 мм и при OF=30 мм и 40 мм получаем следующие значения 2 r - 31 мм, 36 мм и такое параболическое зеркало в полосе частот сигнала 0-15 кГц оказывается независимым от частоты звуковой волны. Конечно, можно задать значение OF равным, например, 60 мм и получить диаметр зеркала большего размера.
з
По мнению авторов, выбор типа рефлектора в предлагаемом устройстве должен определяться точностью изготовления зеркала. Например, для низкочастотного диапазона (до 3 кГц) изготовление сферического зеркала может оказаться более простым и дешевым, чем параболическое зеркало. Изготовление широкополосного микрофона (OF>h) возможно будет связано с трудностью производства зеркала, однако требования к точности его изготовления снижаются в связи с диффузным характером отражения звука, рассмотренным выше. В соответствии с предложением, рефлекторное зеркало устанавливается в торце звукового приемного канала, выполненного в виде цилиндра или усеченного конуса. На фиг.3 показаны такие каналы 7. Внутренний диаметр цилиндра или меньший диаметр конуса совпадает с диаметром зеркала 2 r 8. В фокусе зеркал помещены приемники-преобразователи звука 9 и 6. При этом внутренняя поверхность каналов 7 покрыта материалом 10 с коэффициентом поглощения звука не менее 0,7. Приемники пространственно фиксируют с помощью специальных держателей 11 с минимальной площадью по отношению к звуковому потоку.
Видно, что звуковой канал с зеркалом выполняет функции световой бленды на объективе фотоаппаратов. То есть «звуковая бленда» - звуковой канал - защищает приемник-преобразователь от воздействия на него второстепенных источников, не находящихся на основной оси микрофонного устройства (когда ось рефлектора и звукового канала совпадают).
Покрытие звуковых каналов 7 поглощающим звук материалом 10 обеспечивает поглощение звуковой энергии, все же попавшей на вход канала под углом к оси. С учетом диффузного характера отражения от покрытия 10 и учетом рекомендуемого значения коэффициента поглощения не менее 0.7, уже при третьем отражении луча от стенок канала часть второстепенного звукового потока составит не более 0,1 от его входной мощности.
погл
погл
Рекомендуемое значение α не менее 0,7 обосновано тем, что в настоящее время имеется большой выбор материала с α≥0,7, например, это класс полиматериалов с регулируемой пористостью и другие. Возможные положения интересующих источников звука и второстепенных показаны на фиг.4. Интересующие источники звука 12 расположены на оси устройства микрофона, второстепенные не совпадают с этой осью.
к
к
Как следует из фиг.3 и 4, зоны расположения интересующих источников 12 и 13 второстепенных источников зависят от отношения длины звукового канала L к диаметру канала d (на фиг.4 это показано на примере цилиндра).
Авторы считают, что минимальное значение этого отношения должно быть равно 3. С одной стороны, это отношение позволяет без потерь в приеме звука некоторое угловое отклонение интересующего излучателя от оси микрофона. На фиг.4 это отклонение указано углом 2γ. Величина этого угла в настоящее время не может быть точно указано из-за незнания характера диффузного отражения от конкретной преграды (зеркала), однако критерием его ограничения может быть только
з
к
к
кр
к
к
кр
«наблюдаемая» источником область на рефлекторном зеркале. Если эта область ограничена (задана), например, (0,6-07) от общей площади зеркала S, то при заданном отношении L/d рассчитать угол 2γ не представляет трудности. На фиг.4 угол 2φ отмечен как критический в силу того, что источники, располагаемые за пределами этого угла, не будут восприниматься приемником-преобразователем. При увеличении отношения (L/d)>3 угол 2φ уменьшается, и число возможных отражений звуковой волны второстепенных источников от стенок звукового канала увеличивается.
В другом предлагаемом варианте устройства микрофона в торце звукового приемного канала в виде цилиндра или усеченного конуса размещен приемник-преобразователь прямого взаимодействия звуковой волны. Как показано на фиг.5, диаметр приемника совпадает с диаметром канала (на фиг.5 в виде цилиндра) или с меньшим диаметром конусного звукового канала. В этом случае частотная характеристика предлагаемого микрофона полностью соответствует характеристике приемника.
Можно также добавить, что упомянутые звуковые каналы с отмеченными характеристиками могут использоваться как самостоятельные дополнительные элементы к действующим микрофонам в виде «звуковой бленды», которая обеспечивает острую направленность приема звука.
з
пр
пр
з
Для микрофонных устройств с рефлекторными зеркалами существенным является отношение площади зеркала S к площади приемника звука S, который размещают в фокусе внутри приемного звукового канала. Так, если задается отношение S/S≤0,05, то при диаметре зеркала 40 мм и 50 мм диаметр приемника соответственно должен быть не более 8,9 мм и 11,2 мм. Полученные размеры приемников близки к размерам, которые применяют, например, в современных мобильных телефонных аппаратах, и поэтому могут рекомендоваться в предложенных микрофонных устройствах.
К преимуществу предлагаемого микрофона следует отнести его малые размеры и, видимо, вес. Так микрофоны с фазовым смещением [1, 2] имеют длину не менее 0,5 м, а длина предлагаемого микрофона не более 0,15 м.
Таким образом, предложено устройство микрофона с остронаправленной приемной диаграммой, которое может найти применение во многих репортерских и специальных записях звука.
Литература
1. Алдошина И.А., Вологдин Э.И., Ефимов А.П. и др. Электроакустика и звуковое вещание. - М.: Горячая линия. Телеком, 2007.
2. Акустика Справочник. - М.: Радио и связь, 1989.
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Физматгиз, 1963.
4. Физико-математический справочник, том 1. - М.: Физматгиз, 1961.