Узконаправленный микрофон своими руками

Delphi site: daily Delphi-news, documentation, articles, review, interview, computer humor.

Для повышения дальности перехвата интересующих речевых сигналов в различной обстановке используются направленные микрофоны.

При прослушивании источника речи существенное значение имеет окружающий шумовой фон, различный для городских и загородных, дневных и ночных условий.

Направленный микрофон обладает диаграммой направленности, обеспечивающей повышенную чувствительность в определенном направлении (десятки градусов) значительно выше, чем в остальных направлениях.

Такая направленность позволяет существенно ослабить сигналы и помехи приходящие с других направлений и, соответственно, выделить сигнал, интересующий абонента с направления главного лепестка диаграммы направленности и чем этот лепесток уже, тем качественнее можно это сделать.

В настоящее время в качестве направленных микрофонов используются четыре основных конструкции:

• микрофон с интерференционным элементом,

• микрофон с акустическим отражательным зеркалом,

• суперкардиоидные (гиперкардиоидные) микрофоны,

Основными частями каждого направленного микрофона являются:

• интерференционный элемент или параболический рефлектор;

• акустоэлектрический преобразователь (микрофон);

• микрофонный усилитель, объединенные в один конструктивный узел.

Микрофон с интерференционным элементом выполняется в виде трубчатого или щелевого типа.

В первом случае направленность формируется при помощи системы трубок разной длины, направленных в одну и ту же сторону. Наружные концы трубок открыты, внутренние сходятся у общего датчика давления. Принятые с главного направления сигналы суммируются, с других направлений — вычитаются (рис.6.11).

Диаграммы направленности для различных отношений длины звуковой волны к длине трубки приведены на рис.6.12.

Рис. 6.12. Диаграммы направленности антенны бегущей волны для волн разной длины.

Кроме того в виде отдельного блока выполняются обычно усилитель с подключенными к нему телефонами и магнитофоном. Направленный микрофон с интерференционным элементом представляет конструкцию из трубчатой фазированной приемной акустической антенны нагруженной на высокочувствительный микрофон или решетку микрофонов, включенных последовательно.

Интерференционная система собирается из определенного количества трубок с длинами от нескольких сантиметров до метра и более (размеры трубок для различных участков диапазонов звуковых частот приведены в таблице 6.7).

Эти трубки собираются в пучок — длинные по середине, короткие — по наружной поверхности пучка.

С одной стороны (там, где располагается микрофон) концы трубок образуют плоский срез входящий в предкапсюльный объем (рис.6.11а,б).

В качестве электроакустического преобразователя используют приемник давления — микрофонный капсюль электродинамического, электромагнитного или конденсаторного типа.

Диаграмма направленности интерференционного элемента определяется совпадением или разностью фаз звуковых колебаний, поступающих из трубок в предкапсюльное пространство.

Вариант размещения избирательной системы, составленной из 7 направленных трубок, приведен на рис. 6.116.

Микрофон располагается в фокусе параболического улавливателя. Дальнейшее усиление сигнала происходит за счет использования высокочувствительного микрофонного усилителя.

Этот направленный микрофон перекрывает диапазон частот от 300 Гц до 3300 Гц, т.е. основной информационный диапазон речевого сигнала.

Если необходимо получить более качественное восприятие речи, то необходимо расширить диапазон принимаемых частот. Это можно сделать путем увеличения количества резонансных трубок, например, до 37 штук. В табл. 6.7 приведены расчетные данные для использования в избирательной системе от 1 до 37 трубок.

Характеристики трубок направленного микрофона (из 7 направленных трубок)

№	1	2	3	4	5	6	7
Ь, мм	550	400	300	200	150	100	50
Р, Гц	300	412	550	825 ^	1І00	1650	3300

Приведенная в табл. 6.7 резонансная система перекрывает диапазон частот от 180 Гц до 8200 Гц. Вариант размещения резонансных трубок приведен на рис.6.Ив, где трубки располагаются "улиткой".

Применительно к максимальному набору трубок (п = 37) для частоты 1000 Гц (сі=2,5 см) индекс направленности у интерференционной системы получается равным 8 дб.

Акустическая антенная система щелевого микрофона состоит из полой трубки с системой приемных отверстий, расположенных на поверхности трубки (рис.б.ІЗа).

Рис.6.13а. Схема щелевого микрофона.

В одном из концов трубки устанавливают микрофон, который преобразует звуковые сигналы, пришедшие от приемных отверстий в трубке в суммарный электрический сигнал.

Следует отметить, что габаритные размеры щелевых микрофонов до

Рис. 6.136. Конструкция остронаправленного микрофона "Вереск".

статочно компактны — например длина антенного элемента лежит в пределах 40-60 см.

Примерами таких микрофонов являются устройства типа "Вереск", "Туннель", "Флейта" и т.п. Комплекс специальных остронаправленных микрофонов "Вереск" предназначен для работы с устройствами магнитной записи при приеме звуковых сигналов от удаленных источников. В его состав входят: остронаправленный микрофон, электронный усилитель и наушники.

Прибор обеспечивает номинальный диапазон частот 300 — 5000 Гц, при чувствительности 40 мВ/Па.

Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленного собственными шумами, не более 20 дБ.

Коэффициент усиления не менее 60 дБ.

Длина остронаправленного микрофона 460 или 660 мм. Состав комплекта показан на рис.6.136. Существенное значение для работы вне помещения имеют ветрозащитные чехлы интерференционных элементов.

На рис.6.14 показан образец направленного микрофона, предназначенного для работы в полевых условиях.

В (Л.1) отмечается , что с помощью направленных щелевых микрофонов, типа "Туннель"или "Флейта", можно прослушать и записать на магнитофон речевые сигналы на удалении 15-20 метров в городских условиях. При этом ограничивающим дальность фактором является не направленность акустической системы, а собственные шумы элек-третной микрофонной головки.

Направленный микрофон с зеркалом состоит из отражающей акустическую волну поверхности и чувствительного малошумяще-го микрофона, расположенного в фокусе отражающей поверхности (параболоиде) (рис.

6.15 и 6.16), усилителя, телефонов для прослушивания и диктофона для записи акустических сигналов.

Принцип получения диаграммы направленности микрофона с параболическим зеркалом приведен на рис.6.15.Геометрия зеркала обеспечивает фокусирование на микрофоне звуковых лучей,находящихся в определенном угле 0.

Фокусировка отраженного звука в область фокуса где расположен микрофон происходит при длинах звуковых волн , меньших поперечного размера отражающей поверхности . Для выполнения этого условия приходится использовать зеркала с диаметром отражающей поверхности равном 0,3 — 0,6 метра (рис.6.16.).

Рис. 6.14. Направленный микрофон, предназначенный для работы в полевых условиях

Рис. 6.15. Направленный микрофон с параболическим зеркалом.

Рис. 6.16. Конструкции направленных микрофонов с параболическим зеркалом.

На практике используются также микрофоны с двойными отражающими зеркалами (рис.6.166).

В качестве микрофонной решетки используют группу датчиков давления, расположенных (как правило) в одной плоскости.

Сигналы с датчиков в простейшем случае суммируются,но существуют и более сложные способы электронной обработки сигналов.

На рис.6 Л 7.приведено семейство диаграмм направленности прямоугольной суммирующей решетки для различных отношений длины звуковой волны к длине стороны решетки.

Как видно из приведенных кривых на рис.6.17, микрофонные решетки обладают большей направленностью, чем направленные микрофоны с интерференционным элементом.

Диаграмма направленности является одной из важнейших характеристик направленного микрофона. Она позволяет оценивать эффективность применения микрофона в различных акустических условиях.

В условиях низкочастотного городского фона, относительно равномерно приходящего на микрофон со всех сторон, направленность микрофона позволяет снизить уровень фона во столько раз, во сколько площадь под диаграммой направленности микрофона при данной длине волн меньше всей площади графика. Из рис. 6.17 видно, что в условиях городского звукового фона, длина антенны бегущей волны и длины сторон микрофонной решетки должны быть не менее 0,3 — 0,5 метра.

Испытания экспериментальной микрофонной решетки показали на возможность прослушивания и записи речи в условиях города с расстояния до 50 метров при размерах решетки 450×350 мм.

В настоящее время разработаны конструкции направленных микрофонов с возможностью передачи перехваченной информации по радиоканалу. Примером такой системы является РМК112 "Кейс".

Направленный микрофон с акустической решеткой, закамуфлированной в верхней крышке кейса, обеспечивает контроль акустической информации на удалении 40 м от объекта с возможностью одновременной записи на диктофон и передачей по радиоканалу с кварцевой стабилизацией частоты. Максимум диаграммы направленности (рис.6,18.) расположен перпендикулярно плоскости верхней крышки кейса.

Рис.6.17 Диаграммы направленности микрофонной решетки для волн разной длины.

Рис. 6.18. Конструкция (а) и диаграмма направленности (б) микрофона РМК112.

Подобный микрофон имеет следующие основные характеристики:

ширина диаграммы направленности микрофона:

в диапазоне частот — 35 град.; на центральной частоте (2 кГц) — 20 град.; коэффициент усиления акустической решетки + 10 дБ;

полоса пропускания звуковых частот 600 -4000 Гц;

дальность действия микрофона — до 40 м;

рабочая частота передатчика для передачи информации 416,5 — 423,5 МГц; рабочая мощность передатчика 10 мВт; вид модуляции \ТМ; дальность передачи 200 м: напряжение питания: внутреннее — аккум. 3,6 В; внешнее — 6 В;

время непрерывной работы — 20 час.; габариты кейса — 100x350x420 мм.

Для записи информации кейс комплектуется диктофоном "Болу 727" или магнитофоном "ТР-6".

Управление записью магнитофона и коммутацией питания блока радиоканала осуществляется скрыто установленными переключателями, расположенными в замке на передней панели кейса.

Используя сочетание микрофонов с различной направленностью можно получить комбинированный микрофон с направленной диаграммой. Так, например, сочетание датчика градиента давления, который обладает диаграммой направленности в виде восьмерки, с датчиком давления позволяет получить комбинированный датчик с диаграммой направленности в виде кардиоиды. Сочетание согласованной пары кардиоидных микрофонов позволяет создать так называеммый суперкард иоидный микрофон. Возможные характеристики подобных микрофонов приведены на рис. 6.19.

На практике используется также сочетание кардио-идного микрофона с интерференцион-

Рис.6.19. Диаграммы направленности кардиоидного и суперкардиоидного микрофонов.

[ — кардиоидный микрофон; II — суперкардиоидный микрофон.

ным элементом, что позволяет создать микрофон обеспечивающий перехват речевых сигналов в условиях города на расстояниях 12-15 метров (например БЕЙХНЕ1МКН815Т ФРГ).

Микрофоны направленного действия состоят из диффузора, а также усилителя. Многие модификации используются спецслужбами. Современные устройства производятся с фильтрами и без них. Многие модификации способны похвастаться высокой чувствительностью. Если верить специалистам, то модель целесообразнее приобретать с двумя литиевыми батарейками.

Минимальная пороговая частота в среднем составляет 300 МГц. Чувствительность на импедансе не превышает 3 мВ. У многих моделей применяется два усилителя. Проводимость звукового сигнала в таком случае возрастает довольно сильно. На рынке микрофон направленного действия для профессионалов стоит примерно 12 тыс. руб.

Как сделать своими руками?

Чтобы сделать направленный микрофон своими руками, нужно в первую очередь заняться установкой диффузора. Многие эксперты в данной ситуации рекомендуют применять диодные устройства. Показатель минимальной чувствительности у них в среднем составляет 4 мВ. Также стоит отметить, что для микрофона потребуется небольшой фильтр, который будет справляться с импульсными помехами. Усилители целесообразнее подбирать низкочастотного типа.

Расход энергии у них не слишком высокий. Также стоит отметить, что они являются компактными и не займут много места в корпусе устройства. Непосредственно батарея устанавливается за диффузором. Для увеличения проводимости сигнала рекомендуется применять константный переходник.

Параметры устройств King EH031

Данные микрофоны направленного действия отзывы в основном получают положительного характера. Если верить экспертам, то проводимость сигнала в устройстве довольно высокая. Отдельного внимания заслуживает качественный усилитель. У данного микрофона он применяется линейного типа. Система защиты используется класса РР40.

Рабочая влажность микрофона данной серии находится на уровне 40 %. Если верить экспертам, то низкие частоты диффузором воспринимаются без проблем. Посторонние предметы значительно снижают качество слышимости. Этот направленный микрофон на расстоянии до 130 метров работает замечательно. Линейный аудиовыход в данном случае имеется. Стоит модификация в районе 8800 руб.

Микрофоны серии King EH035

Этот направленный микрофон для прослушки производится с двумя дипольными триодами. Усилитель стандартно используется низкочастотного типа. Показатель чувствительности на импедансе равняется 3.3 мВ. Если верить экспертам, то проводимость сигнала при низких частотах довольно высокая.

Проводник у модификации находится в задней части устройства. Также стоит отметить, что модель оснащена отличной системой защиты класса РР42. Все это говорит о том, что модификация способна работать на расстоянии свыше 130 метров. Слышимость голоса при высоких частотах довольно высокая. Отдельного внимания заслуживают компактные размеры микрофона. Цена на данный товар стартует от 13 тыс. руб.

Особенности модификаций King EH040

Микрофон (направленный) представленной серии отличается высоким качеством слышимости при низких частотах. Фильтр у модификации используется с диодным переходником. Если верить экспертам, то диффузор обладает малой проводимостью сигнала. Также стоит отметить, что у модели есть проблемы с быстрой разрядкой. Аккумулятор в устройстве применяется литиевого типа, и рассчитан он на пять часов работы. Запас энергии у него крайне малый. Усилитель в модели применяется низкого качества. Стоит устройство в магазинах примерно 12 300 руб.

Параметры устройств Shure SV200

Этот микрофон (направленный) замечательно подходит для прослушки на расстоянии свыше 100 метров. Если верить экспертам, то низкие частоты слышатся замечательно. Переходник под микрофон подобран довольно качественный. Также стоит отметить, что диффузор способен работать при повышенной влажности. Отдельного внимания заслуживает небольшой фильтр, который отсеивает лишние звуки.

Помехи посторонних колебаний он фильтрует довольно качественно. Однако недостатки в устройстве все-таки есть. С высокими частотами на большом расстоянии модель справляется плохо. Линейный аудиовыход в данном случае отсутствует. Также стоит отметить, что модель быстро разряжается. При этом индикатор батареи иногда перегорает. Стоит модификация в наше время примерно 14 300 руб.

Микрофоны серии Shure SV300

Данный микрофон (направленный) больше всего подходит для работы на расстоянии не более 140 метров. Проводимость сигнала при низких частотах у него довольно высокая. При расстоянии до 80 метров слышимость голоса очень хорошая. Переходник под батарею в данном случае подобран дипольного типа. Диффузор у этого микрофона применяется только один. Для подключения наушников применяется линейный коаксиальный выход. Также у модификации есть разъем на 3.5 мм. Чувствительность высоких частот в данном случае составляет 3.3 мВ.

Если верить экспертам, то для профессионалов устройство подходит не лучшим образом. Индикатор включения у модели отсутствует. Также стоит отметить, что диффузор плохо справляется с повышенными частотами. Переходник под линейный видеовыход в устройстве отсутствует. Индикатор заряда батареи производителем не предусмотрен. Стоит этот направленный микрофон для прослушки на расстоянии в пределах 10-11 тыс. руб.

Особенности модификаций Rode NTG-2

Этот микрофон (направленный) производится с двумя диффузорами. Если верить экспертам, то проводимость сигнала при низких частотах довольно высокая. На расстоянии до 100 метров слышимость голоса хорошая. Фильтр для импульсных помех в данном случае отсутствует. Также стоит отметить, что усилитель для микрофона подобран без переходника.

Если говорить про подключение, то важно упомянуть о наличии коаксиального разъема. Линейный аудиовыход у модификации также имеется. Слышимость высоких частот на большом расстоянии не сильно хорошая. При этом чувствительность усилителя находится на уровне 2.2 мВ. Если верить экспертам, то для профессионального применения микрофон не особо хороший. Также надо отметить, что в его наборе не предусмотрен чехол. Стоит направленный микрофон для прослушки на расстоянии примерно 14 тыс. руб.

Параметры устройств Samson R23S

Это компактный и качественный микрофон. Если верить экспертам, то модель довольно часто применяется спецслужбами. Рабочая влажность устройства составляет 44 %. При температуре свыше 45 градусов его использовать запрещается. Диффузор у модификации применяется диодного типа, а переходники под него подобраны с двумя контакторами. Фильтр у модели стандартно установлен низкочастотного типа. Непосредственно усилитель применяется с низкоомными переходником.

Параметр пороговой чувствительности максимум достигает 4.3 мВ. Если верить доводам экспертов, то модель замечательно справляется с прослушкой на расстоянии свыше 150 метров. Сбои в работе усилителя наблюдаются довольно редко. Система защиты у микрофона применяется класса РР40. Цена на эту модель стартует от 10 тыс. руб.

Микрофоны серии Samson R25S

Это профессиональный и качественный микрофон. Если верить экспертам, то проводимость сигнала при низких частотах у него приемлемая. Также стоит отметить, что устройство разрешается применять в сырую погоду. Линейный выход КЕ в данном случае используется.

Еще в устройстве имеется разъем на 3.5 мм. Батарея у микрофона применяется литиевого типа на 2 А. Если верить доводам экспертов, то с высокими частотами модель справляется не лучшим образом. Фильтры у модификации применяются с медными изоляторами. По габаритам микрофон является компактным. Цена на него стартует от 9300 руб.

Особенности модели Sennheiser XSW 12

Этот микрофон не подходит для прослушки на небольшом расстоянии. Фильтр импульсных помех применяется низкого качества. Однако стоит отметить компактность модификации. Переходник к микрофону крепится очень надежно. Показатель чувствительности составляет не более 3.2 мВ.

Также стоит отметить, что у модели редко ломается диффузор. Батарея применяется только на 3 А. Система защиты применяется класса РК40. Рабочая влажность данного микрофона находится на уровне 34 %. Приобрести товар пользователь может за 8300 руб.

Понятие "направленный микрофон" слишком широко и не совсем ясно, что именно вы хотите. Направленным является и микрофон с кардиоидной диаграммой, и с диаграммой "восьмерка", но можно предположить, что вы хотите сделать остронаправленный микрофон для записи удаленных источников звука.

Простейшим вариантом такого микрофона является электретный капсюль (например, типа CZN-15E или МКЭ-3), установленный внутри длинной трубки, внутренняя поверхность которой покрыта звукопоглощающим слоем, а в стенках просверлены несколько отверстий вдоль длины трубки (как у флейты). Важно, чтобы расстояние между отверстиями и их диаметры были разными. Вообще же, чтобы сделать качественный остронаправленный микрофон, придется потрудиться, подбирая размеры и точки расположение отверстий, а также диаметр трубки, ориентируясь на АЧХ микрофона. Сделанный наобум будет годиться только как действующая модель, иллюстрирующая принцип. Другой вариант, более простой в настройке, это трубка с тем же самым звукопоглощающим материалом, но вдоль ее сделана щель. Здесь только три параметра — ширина щели, диаметр трубки и толщина поглотителя, но студийного качества от этого варианта не добьешься.

Второй вариант, часто рекомендуемый для удаленного подслушивания — это акустическое зеркало. Представляет собой большое параболическое зеркало, в фокусе которого находится микрофон. Зеркало можно взять для спутниковой антенны. Следует учитывать, что зеркала небольшого диаметра на низких частотах не работают от слов "никак" и "совсем". Если предполагать, что для более-менее качественного распознавания речи нам нужен диапазон 500-3000 Гц, то длина волны наинизшей частоты составляет 660 см. А чтобы зеркало хоть как-то фокусировало, нужно, чтобы его диаметр составлял хотя бы сотню длин волн. Поэтому в реальности такие "зеркальные микрофоны" позволяют улавливать лишь отдельные согласные звуки разговора, даже когда используется зеркало в несколько метров.

Третий распространенный, но очень трудный в настройке — это "органный микрофон". Трубки разной длины, от метра до 10 и меньше см, в количестве до нескольких десятков, каждая из которых содержит свой микрофон или система звуководов соединяет их с одним микрофоном. Первый вариант предпочтителен тем, что регулируя уровень каждого из микрофонов, можно добиваться нужной АЧХ.