НАПРАВЛЕННЫЙ МИКРОФОН HELIX
HELIX DIRECTIONAL MICROPHONE

Изобретение относится к акустическим приемникам направленного действия, применяемым для регистрации звуковых сигналов в условиях окружающего шума.
Для увеличения помехоустойчивости акустических приемников, находящихся в поле окружающих шумов, используется пространственная избирательность, то есть свойство приемника звука иметь большую чувствительность к акустическим волнам, приходящим с одних направлений, чем к волнам, приходящим с других направлений. Это свойство выражается диаграммой направленности приемника. Пространственная избирательность или направленность приемника может достигаться суммированием сигналов от системы приемников - акустической антенны, что характерно для гидроакустических приложений, либо применением специальных акустических конструкций, изменяющих звуковое давление на преобразователе - рупоров, параболических отражателей и подобных устройств. Кроме того, направленные свойства (дипольные или кардиоидные) имеют так называемые градиентные микрофоны, например, ленточные ([1], стр.129-136).
Известны направленные микрофоны с разнообразными трубчатыми конструкциями, соединяющими внешнюю среду с микрофонной камерой ([1], стр.143-145). Поскольку такие конструкции имеют длину, большую длины волны звука принимаемого диапазона, то они могут обладать острой направленностью. Основным недостатком этого типа микрофонов является дискретность акустических расстояний от внешнего среза до чувствительного элемента преобразователя для складываемых фаз сигналов, вследствие чего появляется заметная неравномерность частотной зависимости характеристики направленности, то есть на частотах с длиной звуковой волны больше разницы длин соседних трубок на характеристике направленности появляется дополнительный максимум чувствительности, равный по величине основному. Таким образом, ограничивается рабочий диапазон частот микрофона. Это характерно для любых антенных решеток, составленных из дискретных приемников [2]. Так же уменьшение числа трубок ведет к некоторому увеличению боковых максимумов (лепестков) характеристики направленности. При большом количестве трубок конструкция становится сложной и тяжелой.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение характеристики направленности трубчатого микрофона. Предлагаемое изобретение имеет характеристику направленности с единственным основным максимумом в более широком диапазоне частот вследствие того, что пучок трубок дискретно возрастающей длины заменен конструкцией с непрерывно меняющейся длиной акустического пути от внешнего среза до чувствительного элемента преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что трубчатая конструкция представляет собой свернутую спирально цилиндрическую поверхность, то есть со спиральной направляющей, высота образующей которой прогрессивно уменьшается по мере движения образующей по направляющей от центра спирали, так что пространство между стенками спирального цилиндра представляет собой полость, открытую с переменной по высоте образующей стороны и закрытую со стороны плоского среза камерой, заключающей микрофон.
На фиг.1 приведено схематическое изображение прототипа изобретения - микрофона с набором трубок (рис.4.24а) книги [1]). На фиг.2 представлены результаты расчета по формуле (1) характеристики направленности микрофона общей длиной 1 метр с набором из 8 трубок на частотах 1, 3, 5 кГц. На фиг.3 схематически изображен предлагаемый микрофон. На фиг.4 и 5 изображены схемы геометрических соотношений для расчета характеристики направленности предлагаемого микрофона. На фиг.6 представлены результаты расчета характеристики направленности предлагаемого микрофона длиной 1 метр на частотах 1, 3, 5 кГц.
Для подтверждения возможности достижения поставленной цели в настоящем предлагаемом изобретении сравним характеристики направленности прототипа (фиг.1) и предлагаемого изобретения. Модуль характеристики направленности прототипа представлен формулой ((4,67) книги [1]):
0
где с скорость звука, ω- круговая частота звука, Θ- угол между осью трубок и направлением на источник звука, n - число трубок, d - разница длин соседних трубок. Периодичность функции (1) определяется числителем и знаменателем, причем период функции знаменателя в n раз больше периода функции числителя. При совпадении максимумов этих периодических функций наблюдается максимум с величиной единица, такой же, как и основной максимум при Θ=0. Характеристика направленности приведена на фиг.2. На графике видны боковые лепестки характеристики направленности с величиной основного лепестка на частотах 3 и 5 кГц.
Таким образом, рабочий диапазон частот такого микрофона ограничен сверху частотой (формула 4.81 [2]):
для нашего примера (фиг.2) верхняя граничная частота около 2,3 кГц. Увеличение числа трубок при той же общей длине микрофона повышает верхнюю частоту рабочего диапазона.
Рассмотрим теперь характеристику направленности предлагаемого изобретения (фиг.3). Для расчета характеристики направленности рассмотрим в плоскости X, Y (фиг.4) плоскую волну давления p, падающую под углом Θ к оси Y:
Вдоль оси Y, начиная от начала координат, расположена ось предлагаемого микрофона. Пренебрегая поперечным размером устройства, что справедливо, если этот размер меньше длины волны звука, можно рассматривать акустический путь звуковой волны относительно верхушки микрофона как состоящий из двух отрезков. Первый d1 - это разница пути волны, падающей на уровне y на винтообразный край цилиндра, и волны, падающей на верхушку. Второй d2 - это продолжение пути волны от винтообразного края до камеры микрофона. При этом следует учесть, что от открытого края до камеры микрофона звук может распространяться вдоль любого пути в полости между свернутыми в рулон винтообразными стенками. Поскольку расстояние между стенками цилиндра меньше длины волны на верхней частоте, поле там является двумерным и можно мысленно «развернуть» спиральную цилиндрическую поверхность в треугольник (фиг.4). Значит, от любой точки винтообразного края звук распространяется по всем возможным отрезкам d2 и суммируется с соответствующими фазами на оси абсцисс, то есть в камере микрофона.
На фиг.5 представлена развертка поверхности цилиндра, которая является треугольником с основанием L вдоль оси абсцисс и высотой Н вдоль оси ординат. Расстояние от точки (x1, y) до точки (х,0) представлено отрезком d2, который является длиной пути для звуковой волны от точки (x1, y) на кромке треугольника до точки (х.0) на оси абсцисс, на которой происходит суммирование звукового давления приемником. Таким образом, d2 определяет задержку фазы звука от винтовой кромки до приемника. Задержка фазы звука по сравнению с фазой волны в точке Н при наклонном падении под углом Θ к оси Y определяется отрезком d1 (фиг.5). Величины этих двух отрезков пути звуковой волны выражаются следующим образом:
Суммарное звуковое давление волны единичной амплитуды на оси абсцисс на некоторой частоте с волновым числом k выражается интегралом по всем возможным путям звуковой волны до камеры микрофона:
где d1 и d2 определяются выражениями (1) и (2) соответственно.
Для нахождения характеристики направленности следует давление (6) разделить на давление волны, падающей вдоль оси Y, то есть на площадь сечения отверстия в камере микрофона:
Для численного интегрирования формулы (7) разобьем показательные функции на действительную и мнимую части и заменим интегрирование суммированием:
где М, N - число точек суммирования по оси Y, Х, соответственно.
m, n - индексы суммирования.
Модуль характеристики направленности найдем как квадратный корень из суммы квадратов действительной и мнимой частей полученной суммы.
Численное интегрирование выражения по приведенным формулам суммирования (7) дает характеристики направленности предлагаемого микрофона длиной 1 метр (Н=1 м) с направляющей 1 метр (L=1 м), представленные на фиг.6. Видно, что кривые имеют спадающий характер при увеличении частоты без единичных максимумов как у прототипа.
Источники информации
1. Римский-Корсаков А.В. Электроакустика. Москва., Изд. «Связь», 1973.
2. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн. Ленинград, Изд. «Судостроение», 1973.