Короткі теоретичні відомості

2.1.1 Призначення та різновиди мікрофонів

 

Мікрофони мають дуже широкий спектр практичних застосувань. Вони використовуються на радіо та телебаченні, у більшості видів зв’язку, у лабораторних установках з акустичних вимірювань. Окрім того мікрофони є невід’ємним атрибутом більшості закладних пристроїв, за допомогою яких здійснюється несанкціоноване отримання акустичної інформації.

Мікрофон являє собою перетворювач акустичних коливань в електричні сигнали. У залежності від того фізичного явища, яке створює таке перетворення, розрізняють такі типи мікрофонів: електродинамічні, електромагнітні, електростатичні, п’єзо- електричні, електретні, магнітострикційні, контактні та ін.

За кордоном виготовляються і продаються не тільки окремі пристрої для підслуховування, але й цілі системи, що дозволяють таємно отримувати інформацію крізь стіни, стелі, вентиляційні та інші отвори і контролювати акустику приміщень. Виявлені сигнали приймаються, підсилюються, очищуються і записуються з достатньою надійністю і чіткістю.

Наприклад, приладом професійного акустичного прослуховування є комплект РК-935. Набір містить різні мікрофони, за допомогою яких можливо виконувати різноманітні операції з підслуховування, а також спеціальний підсилювач для посилення слабких сигналів і касетний магнітофон для запису переговорів. У складі комплекту є:

1. РК-915. Контактний мікрофон для прослуховування через стіну, двері, стелю і т.д.
2. РК-795. Мікрофон в наручному годиннику з мініатюрним стереомагнітофоном РК-1985.
3. РК-900. Субмініатюрний електретний мікрофон з кабелем довжиною 50 м.
4. РК-905. Три мікрофони у вигляді стінних цвяхів різної довжини - 150, 300 і 400 мм. Ці мікрофони через отвір діаметром 2 мм в стіні, стелі або підлозі дозволяють проникати в сусіднє приміщення.

Комплект змонтований в аташе-кейсі, вага комплекту з кейсом - 3 кг У кейсі ж знаходиться і підсилювач та головні телефони. Живлення - від батарей або мережі.

Мисливці за чужими секретами нерідко використовують і вузькоспрямовані мікрофони для підслуховування переговорів з досить великої відстані на вулицях або в громадських приміщеннях: бари, ресторани, вокзали і т.ін.

 

2.1.2 Спрямовані властивості мікрофонів

 

Взаємне розташування мікрофона (М) і джерела звуку (Г) визначається трьома параметрами (рис. 2.1):

§ кутом ά (що характеризує спрямованість мікрофону) між прямою, яка проходить через джерело звуку і мікрофон, та акустичною віссю мікрофону;

§ характеристикою спрямованості джерела звуку (кутом b між прямою Г-М і акустичною віссю джерела звуку);

§ відстанню L між джерелом звуку і мікрофоном.

 

Рисунок 2.1- Взаємне розташування мікрофону і джерела звуку

 

Для оцінки спрямованих властивостей мікрофонів, крім самих характеристик спрямованості, найчастіше застосовують такі параметри, як коефіцієнт спрямованості W і відношення коефіцієнтів спрямованості в передній і задній напівсферах (фронт/тил) W_ф/W_т=W_ф/т. Ці параметри визначають (для мікрофонів, діаграма спрямованості яких симетрична щодо акустичної вісі), як

і

 ,

де R (b) — відношення чутливості мікрофону Е_b під кутом b до його вісі, до вісьової чутливості Е₀ (діаграма спрямованості). Ці параметри дуже корисні для оцінки властивостей мікрофону. Так, дальність дії мікрофону з коефіцієнтом спрямованості W у  раз більше, ніж у неспрямованого (за умови однакового розподілу джерел завад навколо мікрофону в обох випадках). Тобто, щоб отримати один і той же сигнал спрямований мікрофон може знаходитися в  раз далі від джерела звуку в порівнянні з неспрямованим.

Параметр W_ф/т корисний для оцінки придушення завад від джерел, розташованих позаду мікрофона, у порівнянні з джерелами, розташованими перед мікрофоном.

Звук поширюється у повітрі зі швидкістю 343 м/с і при цьому несе в собі деякий запас енергії

Поширення звуку в трубах

 

Для труби зручно користатися поняттями об'ємного зсуву й об'ємної швидкості. Цими поняттями користуються і у випадку поширення звукової хвилі у відкритому просторі.

Об'ємний зсув U_о визначають як

U_o = u*S,

де   u – зсув часток середовища;

S – поперечний переріз труби.

Об'ємну швидкість Q визначають як

Q= v*S,

де v – швидкість коливань часток середовища;

  S – поперечний переріз труби.

У практиці акустичних вимірів використовують наступні значення акустичних опорів середовища:

§ хвильовий;

§ питомий;

§ повний.

Хвильовим опором Z називають відношення

Z=p/Q,,

де р –величина звукового тиску;

Q - об'ємна швидкість.

Хвильовий опір Z з питомим акустичним опором x пов'язаний співвідношенням:

Z= x /S.

Повний опір

Z _S =F/v= x *S=Z*S²,

де: v – швидкість коливань повітряного середовища,

F – частота.

Якщо джерело звуку знаходиться в одному кінці труби з постійним поперечним перерізом, а інший кінець труби вилучений у нескінченність, то в такій трубі утвориться плоска хвиля, що біжить. При цьому передбачається, що поперечні розміри труби значно менше довжини хвилі.

У трубі кінцевих розмірів за наявності закритих кінців відбувається відбиття звукових хвиль від цих кінців. При цьому утворяться дві рухомі хвилі, з зустрічним напрямком руху. Їхня сума

P= p₊exp[iw(t-x/c)]+p_-exp[iw(t+x/c)]=

=(p₊-p_-)exp[iw(t-x/c)]+2p_-cos(wx/c)exp(iwt).

де р₊, р_- - амплітуди звукового тиску в хвилях, що йдуть від джерела звуку («пряма» хвиля) і в напрямку джерела (відбита хвиля);

(р₊ - р_-) - амплітуда тиску рухомої хвилі, яка рухається, у томуж позитивному напрямку, що і «пряма» хвиля;

с- швидкість звукових хвиль у середовищі;

2p_-cos(wx/c) - амплітуда тиску стоячої хвилі.

Вхідна питома акустична провідність кінцевої труби, закритої з обох кінців

Y_вх=1/x_вх=(1/x₁+1/x2)cos(wl_т/c)+i(1/x_c)(1+(x_c)²/(x₁x₂))sin(wl_т/c),

де: x₁ і x₂ - питомі акустичні опори відбивних матеріалів, які знаходяться на кінцях труби;

x_c - питомий акустичний опір середовища в трубі;

l_т -— довжина труби.

Для частот w=npс/l_т або f=nc/2l_т, для яких довжина хвилі зв'язана з довжиною труби співвідношенням l_т=nl/2 (де n — будь-яке ціле число), вхідний питомий акустичний опір є чисто активним і мінімальним.

Ці частоти називають резонансними частотами труби.

Для труби довжиною 1 м резонансні частоти будуть наступними:

n=1, f_1p=c/2l_т=343/2*1=172 Гц;

n=2, f_2p=c/l_т=343/1=343 Гц;

n=3, f_3p=3*343/2 =515Гц, і так далі.

На частотах w=((2n-1)/2)pс/l_т, для яких довжина труби пов'язана з довжиною хвилі співвідношенням l_т=(2n-1)l/4, де вхідний питомий акустичний опір має чисто реактивний характер і за величиною досягає максимуму називають антирезонансними. Для тієї ж труби антирезонансні частоти наступні:

n=1, f_1ар= 87,5Гц;

n=2, f_2ар=257Гц;

n=3, f_3ар=429Гц, і так далі.

Для повітря вхідний питомий акустичний опір труби чисельно дорівнює акустичному опору повітря для плоскої хвилі, але з множником (-j) тобто він має реактивний характер.

 

Мікрофони органного типу

Шляхом використання системи резонансних трубок різної довжини створюються мікрофони органного типу (по аналогії з відомим музикальним інструментом), які характеризуються високими спрямованими властивостями. З метою покращення спрямовуючих властивостей таких мікрофонів можливо застосування їх разом з параболічними дзеркалами, як то показано на рис. 2.3.

 

Рисунок 2.3- Геометрія мікрофону органного типу з параболічним дзеркалом

 

Трубки у таких мікрофонів розташовуються по колу або по спіралі (рис. 2.4-а, -б) – у залежності від їх кількості. Таким чином конструюються спрямувальні пристрої спрямованих мікрофонів. При цьому найбільш довга трубка розташовується в центрі структури.

а)

б)

 

Рисунок 2.4- Розташування трубок в конструкціях мікрофонів органного типу