СПОСОБ КОРРЕКТИРОВКИ НАПРАВЛЕНИЯ ОСИ ОТРАЖАТЕЛЬНОГО ПРИЕМНИКА ЗВУКОВЫХ ВОЛН НА ВИЗУАЛЬНО ТРУДНО НАБЛЮДАЕМЫЕ ИЛИ НЕНАБЛЮДАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗВУКА
METHOD FOR CORRECTING AXIS DIRECTION OF REFLECTIVE SONIC RECEIVER TO VISUALALLY DIFFICULTLY OBSERVED OR UNDISCLOSED SOUND SOURCES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области электроакустики, звукоэлектрических преобразователей и датчиков.
Уровень техники
Предлагается способ корректировки направления оси отражательных приемников звуковых волн на визуально труднонаблюдаемый (или не наблюдаемый) источник звука. К таким случаям следует отнести негласное наблюдение, выявление живых голосов в развалах домов при природных или техногенных катаклизмах, поиск заблудившихся в лесах и горах людей, а также в других случаях при исследовании физических явлений и процессов природы при большой удаленности микрофона от объекта наблюдения.
Из научной и технической литературы известны отражательные остронаправленные приемники звука (ОНПЗ) с использованием параболических отражателей звука с микрофоном в фокусе ([1] - Зайцев А.П., Шелупанов А.А., Мещеряков Р.В. и др. «Технические средства и методы защиты информации»; [2] - Ш.Я. Вахитов, Ю.А. Ковалгин, К.Е. Абакумов и др. «Акустика»; [3] - А.А. Хорев «Средства акустической разведки: направленные микрофоны и лазерные акустические системы разведки»). Такие приемники при строгом наведении оси отражателя на источник звука можно считать идеальными, т.е. подчиняющимися законам оптики. Однако при малом уровне полезного сигнала и высоком уровне акустических помех от источников, расположенных в произвольных направлениях, навести приемник звука на цель, особенно в условиях визуальной недоступности источника полезного сигнала не представляется возможным.
отр
отр
отр
отр
При строгом наведении оси приемника на звуковую цель ось приемника нормальна к фронту звуковой волны цели и угол между осью и нормалью α=0. В этом случае вся звуковая мощность, попавшая на площадь отражателя диаметром D, оказывается сосредоточена в фокусе отражателя, куда и помещают приемный микрофон. При α≠0 отраженные звуковые волны образуют фокусную область и, как будет показано далее, диаметр такой области приближается к 5 см, например, при D=0,5 м и α=10°. Если α≈30°, то диаметр фокусной области ~23 см при том же D (см. фиг. 3). Звуковая мощность, действующая на мембрану микрофона, размещенного в фокусе параболического зеркала диаметром D=0,5 м, естественно будет определяться соотношением площади приемной части микрофона к площади расфокусированной зоны отражателя, а также будет зависеть от коэффициента усиления фокусирующей поверхности. Таким образом, слабым местом приемников звука отражательного типа является сложность или невозможность точного наведения приемника на звуковую цель без визуального контакта, что является общим недостатком остронаправленных приемников. В качестве прототипа предлагаемого способа может быть принят параболический микрофон «СУПЕР УХО-100», описанный в [1] и [3], недостатками которого являются низкая чувствительность в условиях интенсивных шумов и исключительно визуальная юстировка на источник полезного сигнала.
Сущность изобретения
Целью предложенного способа является устранение отмеченных недостатков прототипа при регистрации звуковых сигналов от источников звука визуально труднонаблюдаемых или ненаблюдаемых при высокой пространственной избирательности звукового приема. Техническим решением такого способа регистрации звука является обеспечение узконаправленного приема отражательного приемника звука в пределах заданного пространственного угла при отклонении оси приемника от источника звука на регулируемый угол 10°÷20° с помощью дополнительных микрофонов, расположенных во фронтальной плоскости отражателя.
отр
1
отр
2
1
рез
2
Способ корректировки направления оси отражательного приемника звуковых волн на визуально труднонаблюдаемые или ненаблюдаемые источники звука включает в себя операции коррекции направления устройства на источник звука при помощи дополнительных микрофонов и фокусирования принимаемого звука с помощью параболического отражателя, в фокусе которого помещают направленный микрофон. Согласно предложению к ободу параболического отражателя диаметром D или к ручке приемника жестко крепят штангу, на которой устанавливают симметрично относительно фокуса отражателя два дополнительных направленных микрофона, расстояние между которыми изменяют в соответствии с неравенством L<D<L, выходные сигналы с этих микрофонов подключают к входам суммирующего усилителя через одинаковые резонансные фильтры, резонансные частоты которых соответствуют неравенству F>F>F и связаны с указанными расстояниями выражением:
рез
отр
1
1
2
2
рез
1
2
n
зв
отр
причем F соответствует расстоянию D, F - расстоянию L, F - расстоянию L, а ширина полосы пропускания фильтра не более ±30 Гц от F, F или F, при этом выходной сигнал суммирующего усилителя через регулируемое пороговое устройство подается на индикатор-регистратор, на котором фиксируют максимальное значение выходного сигнала, после чего включают на прием звука микрофон, размещенный в фокусе отражателя, а выходной сигнал с этого микрофона подключают через фильтр с полосой пропускания 60 Гц (т.е. F±30 Гц) к усилителю, выходной сигнал которого подается на приемник для прослушивания, обработки и дальнейшей его записи, при этом диаграмма направленности дополнительных микрофонов имеет максимум в прямом направлении отражателя, микрофона в фокусе - развернута в диаметрально противоположном направлении, а условная прямая, соединяющая дополнительные микрофоны, параллельна горизонту, где С - скорость звука в воздухе, D - диаметр отражателя, α - угол между осью отражателя и нормалью к фронту звуковой волны.
Перечень фигур
Пояснение работы предложенного способа иллюстрируется следующими схемами:
Фиг. 1 - условное изображение размещения дополнительных микрофонов на отражателе, где 1 - центральный (основной) приемный микрофон, 2 - дополнительные микрофоны, размещенные на штангах, жестко закрепленных на ободе 3 отражателя 4, 5 - ось симметрии отражателя 4, Δ - расстояние от фокуса F до отражающей поверхности параболического отражателя 4, 6 - фронт звуковой волны.
Фиг. 2 - условная схема подключения выходных сигналов дополнительных микрофонов 2, где 7 - узкополосные резонансные фильтры, 8 - переключатель фильтров; 9 - суммирующий усилитель; 10 - пороговое устройство; 11 - индикатор - регистратор.
Фиг. 3 - ход звуковых лучей отраженных от поверхности зеркала, где MN - граница фокусной области при α=10°; ОР - граница фокусной области при α=30°.
min
max
2
Фиг. 4 - Условная схема цепи выходного сигнал микрофона 2, расположенного в фокусе отражателя, где 12 - широкополосный фильтр на диапазон частот от F до F, 13 - усилитель, 14 - выходные гнезда звукового сигнала, П - выключатель центрального микрофона.
min
max
Фиг.5 - чертеж приемника с отражателем 4, в фокусе которого размещен микрофон 1 с двумя дополнительными микрофонами 2, закрепленными на ободе 3. Расстояние между периферическими микрофонами 2 изменяется от L=0,14 M до L=0,86 м с помощью раздвижных штанг.
Фиг. 6 - Типовая характеристика направленности микрофона МД-82А-5М.
Осуществление изобретения
зад
В работе [4] (B.C. Алешин, Ю.А. Крутяков, М.Д. Венедиктов, А.Ю. Качалов. Патент РФ «Способ остронаправленного приема звуковых волн (RU 2538031)» от 10.01.2015, патентообладатель ФГОБУ ВПО МТУСИ (RU)) показано, что остронаправленный прием звуковых волн двумя микрофонами, размещенными на жесткой штанге, формирует фазовую (временную) задержку Δt при расстоянии между микрофонами L и угле α≠0, равную:
В качестве достоинства указанного устройства ОНПЗ с двумя микрофонами в работах [4] и [5] (М.Д. Венедиктов и др. Патент РФ «Способ остронаправленного приема звуковых волн (RU 2494570)» от 27.09.2013 г., патентообладатель ФГОБУ ВПО МТУСИ (RU)) отмечено уменьшение его размеров в 3 и более раз по сравнению, например, с трубчатыми приемниками [1, 3]. Это достоинство побудило авторов использовать такие приемники звука в качестве корректоров направленности отражательного приемника звука.
1
отр
2
зад
зв
зад
зв
зв
зв
На фиг. 1 представлен предлагаемый отражательный приемник с дополнительными микрофонами 2, расположенными на жестких штангах, закрепленных на ободе 3 отражателя 4 с осью 5. Фокус F параболического отражателя расположен на расстоянии Δ от внутренней поверхности зеркала (фиг. 5). Положение фронта звуковой волны 6 образует с плоскостью отражателя угол α, как показано на фиг. 1. В образованном треугольнике ABC сторона АВ соответствует линейной задержке звукового фронта, воздействующего на микрофоны 2. На фиг. 1 показан возможный пример изменения расположения микрофонов 2 на штангах с расстояниями между ними L>D>L. В выражении (2) произведение Δt⋅С имеет линейную размерность, и если принять Δt⋅С=0,5⋅λ (λ - длина волны звука), то при сложении выходных сигналов с микрофонов в суммирующем усилителе произойдет полная амплитудная компенсация этих сигналов. Это условие может быть записано в виде:
откуда
зв
отр
зв
Обращаясь к фиг. 1 и выражению (1), возможно определить частоту F при известных габаритных размерах D приемника и заданном критическом угле приема α. Если требование к частоте F жесткое, то по нему следует определять телесный угол α, в котором можно обнаружить источник звука.
1
отр
2
отр
peз
1
1
2
2
1
peз
2
1
2
peз
При изменении расстояния между дополнительными микрофонами 2 в соответствии с предложенным неравенством L>D>L выражение (1) требует, чтобы изменялась и частота F. Таким образом расстоянию D будет соответствовать частота F, расстоянию L - частота F, а расстоянию L - частота F. При этом частоты будут находиться в неравенстве F<F<F в порядке, обратном неравенству расстояний. Расчетные значения частот F, F и F необходимы для установления резонансных частот фильтров, через которые дополнительные микрофоны подключают к входам суммирующего операционного усилителя.
зв
Авторы также использовали известное условие восприятия формант, описанное в работах [6] (М.А. Сапожков. Расчет разборчивости речи для систем звукоусиления в помещениях. МЭИ, 1974 г. ) и [7] (М.А. Сапожков. Речевой сигнал в кибернетике и связи. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1963. - 452 с.), которое заключается в следующем: если даже самые минимальные по величине уровни формант в некоей узкой полосе частот (в нашем случае F±30 Гц) будут выше уровня шума в этой полосе, то в соответствии со свойствами слуха все форманты в этой полосе частот будут восприниматься слухом. Допустим, что формантная разборчивость в этой полосе равна таковой в каждой из 20 полос равной разборчивости, тогда вероятность правильного восприятия формант в ней будет равна 0,05 или 5%, чего достаточно для применения в заданных условиях, когда полоса искомого сигнала умышленно принимается более узкой для поиска направления источника сигнала. При этом ставится дополнительное условие, что уровень шума в направлении поиска (прямое направление) должен быть меньше уровня полезного сигнала. Таким образом, при доминировании в некоем направлении определенного звукового сигнала, этот сигнал всегда будет интерпретирован как условно «полезный» при отсутствии фазовых задержек с разных микрофонов.
Уровня разборчивости в 5% при ненаблюдаемом источнике звука, по нашему мнению, вполне достаточно для определения наличия речевой (или иной) информации в определенном телесном угле. Дальнейшее усиление полного речевого сигнала (в полосе приема 300÷4500 Гц) производится с помощью отражательного рефлектора и центрального микрофона.
отр
кр
peз
Анализ предложенного способа корректировки направленности отражательного приемника может быть выполнен, если задать габаритный размер отражателя D=0,5 м и угол полной компенсации сдвинутых по фазе сигналов, например, α≈35°. В этом случае центральная частота F равна 592 Гц, что хорошо согласуется, например, с низкочастотной критической полоской слуха человека ([8] - А.П. Ефимов, А.В. Никонов, М.А. Сапожков, В.И. Шоров. Справочник «Акустика». - М.: Радио и связь, 1989 г. - 336 с. с ил., см. формантное восприятие).
Известно, что сумма двух периодических функций с одинаковой частотой и амплитудой, но разными фазами, будет также периодическая функция. Если принять одну из фаз за 0, выражение для суммарной синусоидальной амплитуды будет иметь вид:
где ϕ - разность фаз двух одинаковых гармонических сигналов по отношению друг к другу.
кр
Σ
peз
Σ
peз
peз
1
2
Так как на пару микрофонов 1 могут поступать звуковые сигналы с разными фазовыми сдвигами ϕ в пределах от 0 до 180°, в нашем случае необходимо настроить (отъюстировать) поворот приемной антенны 4 в пределах угла ± α, при котором значение суммарной амплитуды |А| на частоте F становится равным нулю (главный лепесток ДН). В таблице 1 приведены расчетные значения выходной амплитуды |A| на выходе суммирующего усилителя при условии, что узкополосность резонансных фильтров, через которые выходные сигналы микрофонов попадают на усилитель, имеет ширину резонансной кривой фильтров F±30 Гц. В случае если F=592 Гц, ширина полосы пропускания фильтров составляет 60 Гц (т.е. F=562 Гц, a F=622 Гц).
Σ
Анализ амплитудных значений |А| в табл. 1 показывает, что введение амплитудного порога, равного 1,5÷1,7, обеспечивает телесный угол при регистрации звуковых сигналов в полосе частот 562÷622 Гц, не превышающий 20° (±10° относительно оси). Для того чтобы возможные сигналы в этой полосе частот при их поступлении с углов ±(60°÷90°) не фиксировались предлагаемой парой дополнительных микрофонов, эти микрофоны должны быть однонаправленными и иметь ослабление чувствительности при угле поворота более 60° относительно оси не менее 4,6 дБ.
1
2
peз
Σ
Необходимо также отметить, что ширина полосы пропускания фильтра, как следует из таблицы 1, при переходе на частоты F и F должно соответствовать следующему условию: крайние частоты, которые пропускаются фильтром, определяются фиксированным значением ±30 Гц от F. Например, на резонансной частоте 850 Гц крайние частоты пропускания фильтра будут 820 и 880 Гц. Таким образом, табличные значения суммарной амплитуды |А| могут быть использованы аналогично для любых произвольно заданных резонансных частот.
кр
0
отр
Именно этим объясняется предложение авторов использовать в качестве дополнительных микрофонов суперкардиоидные однонаправленные капсюли, например МД-104, чувствительность которых при угле больше 60° падает практически вдвое по сравнению с фронтальным направлением. Этим же объясняется рекомендация введения регулятора для баланса двух сравниваемых сигналов на входе порогового устройства. И так как у применяемых нами направленных микрофонов чувствительность падает более чем в два раза при α≥70° (см. фиг. 6, [9] - И.Н Сидоров. Отечественные и зарубежные микрофоны и телефоны. Справочное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004 г., 290 с.), угол полной компенсации сигнала α на частоте F, рассчитанной по выражению (1), рекомендуется выбрать равным или менее 35° для D=0,5 м (см. табл. 1). Данное условие позволяет оставить ниже порога внеполосные сигналы гармоник резонансной частоты.
Σ
1
1
На фиг. 2 показана схема подключения выходных сигналов дополнительных микрофонов 2 через резонансные фильтры 7 к суммирующему усилителю 9. Пороговое устройство (компаратор) 10 пропускает лишь те сигналы, которые оказались выше порога или, иначе говоря, если суммарный сигнал с пары дополнительных микрофонов 2 имеет значение A≥1,5 (см. табл. 1). Далее сигнал с порогового устройства 10 в случае превышения порогового значения поступает на индикатор-регистратор уровня 11, после чего включают на прием звука направленный микрофон 1 в фокусе отражателя. При переходе на регистрацию других более высоких резонансных частот, наличие которых в принимаемом спектре звука не исключено, следует в соответствии с выражением (1) установить новое расстояние между дополнительными микрофонами, например, L (см. фиг. 1). Например, при F=850 Гц и угле поворота α=35° это расстояние будет равно:
2
2
3
3
Аналогично, при F=340 Гц L≈0,86 м, а при F=1260 Гц L≈0,14 м.
3
отр
0
Σ
Как следует из фиг. 1, при F=340 Гц и диаметре отражателя D=0,5 м дополнительные микрофоны 2 располагаются за пределами отражателя на штангах, расстояние между которыми будет меняться в пределах 0,14÷0,86 м с плечом поворота 0,18 м (фиг. 5). Так как резонансные частоты фильтров F и расстояния между дополнительными микрофонами определяются выражением (1), то расчетные значения |А| в таблице 1 будут соответствовать и для любых других резонансных частот, в частности на частотах 340 Гц и 1260 Гц. При этом требования к ширине резонансной кривой остаются неизменными, т.е. предлагается установить ширину резонансных кривых фильтра не более 60 Гц (±30 Гц).
Необходимо отметить условие, которое авторы рекомендуют выполнять при использовании отражательного приемника с дополнительными микрофонами для корректировки угла приема - условная прямая, соединяющая микрофоны, при приеме должна быть параллельна горизонту. Это требование обеспечивает удобство эксплуатации приемника звука при работе антенны в условиях равнинной местности. При реализации приемника предлагается ввести в конструкцию шарнирное приспособление, обеспечивающее свободу вращения устройства по двум осям - «влево-вправо» и «вверх-вниз».
На фиг. 3 представлена схема хода отраженных звуковых сигналов от периферийных участков отражателя, а также от центральных областей при α≈10° и 30°.
отр
Видно, что при α≠0 вместо фокусной точки (используя линейные оптические законы отражения) формируется фокусная область вблизи оптического фокуса с границами ΜΝ по оси 5 при α=10° и ОР - при α=30°, (при этом ΜΝ=0,5Δ (α=10°) и OP ≈2Δ (α=30°) см. фиг. 1, а также при D=50 см Δ≈5 см). Эта схема иллюстрирует важность наводки отражательного приемника на источник звука. Помимо этого, несовершенство формы параболической чаши, а также дифракция звуковых волн на низких частотах приводят к размыванию фокальной области в пятно ([10] - Ю.А. Крутяков, А.Ю. Качалов. О распространении и фокусировке звука. - М.: Журнал «T-Comm Телекоммуникации и транспорт», №1, 2014 г.). При этом звуковые волны с неаксиальных направлений также попадают в эту область, в связи с чем вносится дополнительная расфокусировка направленности. Следует отметить частотную зависимость отражательных параболических приемников в верхнем речевом диапазоне частот (свыше 4,5 кГц), которая вызвана разницей линейного хода отраженных лучей относительно периферийных участков отражателя и центральных областей в направлении фокуса.
1
2
3
Поэтому авторы рекомендуют выходной сигнал с микрофона 1 в фокусе отражателя подключать к усилителю через широкополосный фильтр с полосой частот, граничные значения которых соответствуют так называемым «реперным» частотам речевых полосовых фильтров (от F до F и F в рассмотренном примере), но не выше 4,5 кГц.
2
Как показано на фиг. 2, выходной сигнал с усилителя 9 подключают к индикатору-регистратору 11, на котором на слух или визуально фиксируют его максимальное значение, после чего вручную или автоматически включают на прием звуковых сигналов микрофон 1 в фокусе отражателя. На фиг. 4 показана блочная схема цепи выходного сигнала микрофона 1, который включается в цепь переключателем П. Отмечаем, что диаграмма направленности микрофона 1 направлена в сторону отражателя, а его выходной сигнал подключают через фильтр 12 к выходному усилителю 13. Выходной сигнал приемника с усилителя 13 подключен к выходным разъемам 14.
2
Конструктивное исполнение предложенного способа корректировки направления отражательного приемника на визуально ненаблюдаемый источник звука показано на фиг. 5. Авторы предлагают упомянутые фильтры 7 с выключателем 8, регулируемое пороговое устройство 10, индикатор уровня сигнала 11, переключатель П, фильтр 12, усилитель 13 расположить в ручке-держателе 15. На фиг. 5 условно показана конструкция крепления держателя 15 отражателя 4, а также крепление штанг с дополнительными микрофонами 2. Для удобства оператора на корпус ручки-держателя следует вывести гнезда выходного сигнала 14 для подключения внешних устройств записи и прослушивания сигнала. Также на корпус выводят ручку регулировки порога, ручку переключателя 8 фильтров 7, индикатор для визуализации или озвучивания достижения максимального значения сигнала с дополнительных микрофонов и тумблер (кнопка) включения микрофона 1 в фокусе отражателя 4.
Таким образом, предложен способ дополнительной корректировки оси отражательного приемника на визуально ненаблюдаемые источники звука, который позволит регистрировать звуковые сигналы в телесном угле 20° с высоким отношением сигнал-шум, что также может найти практическое применение в кино- и телеиндустрии, геомониторинге, в поисково-спасательных и разведывательных структурах.