5.3. НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА МИКРОФОНОВ

Для суждения о направленных свойствах микрофонов, кроме самих характеристик направленности, чаще всего применяют такие параметры, как коэффициент направленности и отношение коэффициентов направленности в передней и задней полусферах Эти параметры определяют для микрофонов, направленность которых симметрична относительно оси, как

где отношение чувствительности микрофона под углом к его оси, к осевой чувствительности Эти параметры очень полезны для оценки свойства микрофона. Так, дальность действия микрофона с коэффициентом направленности и раз больше, чем у ненаправленного (при условия распределения источников равноинтенсивных помех вокруг микрофона). Иными словами, при одном и том же отношении сигнал-помеха на выходе микрофона направленный микрофон может находиться в раз дальше от источника по сравнению с ненаправленным.

Параметр полезен для оценки подавления помех от источников, расположенных сзади микрофона (например, в зале), по сравнению с источниками, расположенными перед микрофоном (например, исполнители на эстраде).

Характеристика направленности микрофонов может быть представлена выражением, являющимся в общем случае уравнением улитки Паскаля:

где параметр, определяющий форму характеристики направленности, являющийся отношением чувствительности приемника градиента давления и чувствительности приемника давления. Форму характеристики направленности односторонненаправленных микрофонов можно выразить и через параметр

при (рис. 5.11, а) — окружность;

при (рис. 5.11, б) - кардиоида;

при (рис. 5.11, в) - суперкардиоида;

при (рис. 5.11, г) — гиперкардиоида;

при (рис. 5.11, д) получается двусторонняя направленность (косинусоида, восьмерка).

Для микрофонов с непостоянной направленностью

Зависимость и от представлена на рис. 5.11, е соответственно кривыми 1 и 2.

Пример. Чтобы определить параметры для гиперкардиоиды восстанавливаем ординату из точки на оси абсцисс и отсчитываем на оси ординат и Микрофон с такой характеристикой будет иметь по сравнению с ненаправленным микрофоном при одном и том же соотношении сигнал-помеха на выходе дальность приема в поле равномерно распределенных в пространстве источников помех в 14, т. е. в 2 раза большую. В этих же условиях он будет подавлять помехи, приходящие от источников, расположенных в задней полусфере, по сравнению с ненаправленным микрофоном на

Кроме описанных выше параметров, отображающих направленность микрофона, большим распространением пользуется такой параметр, как выражаемый в децибелах перепад чувствительности фронт-тыл.

Как уже упоминалось выше, сила, действующая на диафрагму микрофона градиента давления, вблизи от источника, т.е. в поле сферической волны, не прямо пропорциональна частоте, как это имеет место при нахождении этого микрофона в поле плоской волны. Но комбинированный (односторонненаправ-ленный), в частности кардиоидный, микрофон всегда может быть представлен как сочетание микрофона давления и микрофона градиента давления, имеющих равные чувствительности.

Рис. 5.11. Характеристики направленности комбинированных микрофонов

Поэтому и частотная характеристика и характеристика направленности для кардиоидных микрофонов этого типа меняются с удалением от источника, как это показано на рис. 5.12, где приведены зависимости отношения чувствительности кардиоидного микрофона при разных углах между осью микрофона и направлением прихода звука и разных расстояниях до источника звука к его чувствительности при от Параметр семейства кривых угол 9. Для определения в зависимости от расстояния и частоты служит нижняя часть графика.

Пример. Пусть требуется определить, насколько чувствительность кардиоидного микрофона под углом 135° на расстоянии от источника на частоте 50 Гц меняется по отношению к его осевой чувствительности. Из рис. 5.12 находим, что расстоянию при частоте 50 Гц соответствует На пересечении кривой 135° и ординаты 0,5 находим значение — На столько чувствительность под углом 135° на расстоянии будет отличаться от осевой чувствительности микрофона при нахождении последнего на бесконечном расстоянии от источника. На расстоянии же, равном его осевая чувствительность будет отличаться от чувствительности на бесконечности Таким образом, чувствительность под углом 135° для расстояния на частоте 50 Гц отличается от чувствительности этого

Рис. 5.12. Зависимость отношения чувствительности кардиоидного микрофона от угла прихода звука

Рис. 5.13. Векторные диаграммы звуковых давлений

же микрофона на оси на т. е. чувствительности для этих углов практически одинаковы. Для кардиоидного же микрофона на бесконечно большом расстоянии от источника эти чувствительности будут различаться на

Примечательно, что для угла 90° чувствительность не меняемся на любом расстоянии, что объясняется тем, что составляющая силы, обусловленной градиентом давления, будет для этого направления равна нулю.

Получить необходимую форму характеристики направленности микрофона можно путем изменения его конструкции.

Сферическую характеристику направленности, как было показано выше, имеют микрофоны давления, но только на низких частотах. Для получения круговой характеристики и на высших частотах, хотя бы в горизонтальной плоскости, микрофон иногда располагают так, чтобы его ось была вертикальной. Для получения двусторонней («восьмерочной») направленности применяют в основном микрофоны градиента давления (например, ленточные), т. е. такие, где диафрагма открыта воздействию звукового давления с обеих сторон. Для получения односторонней направленности раньше пользовались соединенными последовательно микрофоном давления и микрофоном градиента давления, конструктивно заключенными в один корпус. В настоящее время одностороннюю направленность получают в одном микрофоне, принцип действия которого заключается в том, что он имеет два пространственно разнесенных входа для воздействия звукового давления с расстоянием между ними и что сдвиг фазы звукового давления внутри микрофона делается равным сдвигу фазы звукрвого давления на пути от первого входа (у диафрагмы) до второго (см. рис. 5.6). Это может быть пояснено векторной диаграммой, принеденной на рис. 5.13. Здесь звуковое давление, действующее на диафрагму. От его фазы на угол отстает фаза звукового давления второго входа. Внутри микрофона звуковое давление претерпевает такой же сдвиг фазы на угол и на обратную сторону диафрагмы, в результате действует звуковое давление Тогда результирующее давление, приводящее диафрагму в колебания, будет Если же звук приходит со стороны второго входа, то звуковые давления будут одинаково сдвинуты по фазе относительно звукового давления и разность будет равна нулю. Вследствие этого диафрагма останется в покое и выходное напряжение микрофона будет равно нулю. Необходимые сдвиги фаз и соотношения параметров элементов внутренней фазосдвигающей акустико-механической системы микрофона получаются при рассмотрении действия его схемы-аналогии, которая в упрощенном виде изображена на рис. где механическое сопротивление подвижной систему, механическое сопротивление второго входа, механическое сопротивление внутренней фазосдвигающей акустико-механической системы микрофона.

Условие односторонней направленности микрофона, представляемого такой схемой, выполняется, если Это условие обычно бывает труднсмюблюет во всем диапазоне частот. Поэтому в реальных конструкциях делают несколько «вторых» входов, каждый для своей области частот так, чтобы расстояние уменьшалось по мере повышения частоты.

Для оперативного изменения направленности микрофонов у некоторых их типов возможно дистанционное управление ею путем электрического переключения выходов составляющих микрофонов с различными характеристиками направленности. Так, если имеются два одинаковых кардиоидных микрофона, акустические оси которых направлены противоположно, то их характеристики направленности могут быть представлены как

Синфазное последовательное электрическое соединение этих микрофонов дает суммарную что соответствует отсутствию направленности (круговая или сферическая характеристика). Встречное последовательное включение дает суммарную т. е. двустороннюю (восьмерочную) характеристику.

Таким образом, с помощью переключателя, находящегося на каком-то расстоянии от такого сдвоенного микрофона, можно получить следующие характеристики направленности; кардиоида, обращенная в одну сторону;

кардиоида, обращенная в другую сторону; круговая; косинусоидальная. Кроме того, применяя потенциометрическое включение микрофонов, т. е. складывая полное напряжение от одного микрофона с долей напряжения от другого микрофона, можно получить еще ряд промежуточных характеристик.

Остронаправленные микрофоны («пушки») современной конструкции обычно состоят из микрофона, к которому примыкает трубка с отверстиями по длине (рис. 5.14) или со сплошной осевой прорезью» Отверстия или прорезь обычно закрываются тканью.

Если звук приходит по оси, то пути его распространения по трубке и через отверстия одинаковы и составляющие звукового давления от прошедших через трубку колебаний синфазны и, следовательно, сумма их, воздействующая на диафрагму, Максимальна. Если же звук приходит под углом к оси, трубки, то разность пути звука по всей трубке и пути от входа в трубку до входа в отверстие, находящееся на расстоянии от входа в трубку, обусловит сдвиг фаз, определяемый как В свою очередь, это создает сдвиг фаз различной величины между двумя колебаниями, пришедшими через разные отверстия, что приводит, следовательно, к уменьшению результирующего давления, действующего на диафрагму.

Следует отметить, что чем большую остроту направленности нужно получить, тем больше должна быть длина звукоприемного элемента (трубки), так как острота направленности увеличивается с увеличением отношения длины трубки к длине волны принимаемого звука.

Принципиальное значение направленные свойства микрофонов имеют в стереофонических системах. Здесь применяют три способа приема.

Способ АВ, при котором используют два пространственно разнесенных микрофона (правый и левый), напряжения от которых подают в правый и левый каналы стереофонической системы.

Способ XY, при котором микрофоны пространственно совмещены (обычно один над другим) и образуют единую конструкцию. Однако при этом акустические оси микрофонов, как правило, кардиоидных, развернуты так, что угол между ними составляет примерно 90°. Такое расположение в какой-то степени имитирует прием звука ушами, максимумы рактеристик направленнбсти которых также развернуты относительно Друг друга. Как и в системе выходные напряжения микрофонов подаются на входы правого и левого каналов стереофонической системы.

Способ MS, при котором применяют также два микрофона: один — ненаправленный, другой — с косинусоидальной характеристикой направленности, минимум которой направлен на источник звука. Они конструктивно совмещены между собой, как и при способе Выходные напряжения этих микрофонов с помощью суммарно-разностного преобразователя складываются и вычитаются. Сумма напряжений подается на вход Одного из каналов стереофонической систёмы (например, правого), разность этих напряжений — на вход другого канала (левого). Таким образом, для целей стереофоний применяют микрофоны с известными характеристиками направленности, но имеющие специальную конструкцию расположения и крепления их пары.

В последние годы появился еще один способ применения микрофонов 6 стереофонии, так называемой бифонический, основанный на использовании искусственной головы. В нем малые ненаправленные микрофоны устанавливают в макете искусственной головы на местах, соответствующих входам в слуховые каналы правого и левого ушей. Таким образом хорошо имитируются условия приема звука двумя ушами и, в частности, направленность последних. Выходные напряжения этих микрофонов подаются на выходы правого и левого каналов стереофонической системы.

Серьезной задачей, решение которой имеет важное практическое значение, является обеспечение шумозащищенности Микрофона, что позволяет ему при нахождении в поле шумов выделять на их фоне полезный сигнал. Шумозащищенность микрофона достигается разными способами. Простейший из них — размещение микрофона а непосредственной близости от источника полезного сигнала.. При этом интенсивность от последнего увеличивается и, таким образом, повышается отношение сигнал-помеха, что позволяет лучше выделять полезный сигнал. Если полезный сигнал и помеха имеют различающиеся между собой по ширине амплитудно-частотные спектры, то шумозащищенность может быть достигнута путем ограничения частотного диапазона микрофона границами спектра сигнала или же наиболее важной частью этого спектра. Этот метод неприменим, если спектр сигнала шире спектра помехи или равен ему по ширине.

Для далеких от микрофона источников полезного сигнала и пространственно распределенных источников помех эффективным способом шумозащищенности является применение остронаправленных микрофонов, ориентированных на источник полезного сигнала. В случае же единичных дискретных источников помех удовлетворительные результаты получаются при применении двусторонних или односторонненаправленных микрофонов, ориентированных направлением минимальной чувствительности на источник помех. Наиболее трудная задача — обеспечение шумозащищенности микрофонов, работающих в условиях

Рис. 5.14. К пояснению принципа действия остронаправленного микрофона

Рис. 5.15. Зависимость шумозащищенности от коэффициента

близко расположенных источников помех с широким частотным спектром, создающих у микрофонов высокий уровень шумов. Здесь эффективным является использование микрофонов градиента давления, размещаемых как можно ближе к источнику полезного сигнала (например, ко рту при приеме речи), так как в поле его сферической волны источники помех будут восприниматься с меньшей чувствительностью, чем полезный сигнал близко расположенного источника.

Шумозащищенность (в децибелах) таких микрофонов в зависимости от произведения расстояние от источника полезного сигнала до средней плоскости микрофона, волновое число) и от разности хода между передней и задней сторонами подвижной системы

Добавление в приведенной формуле отображает снижение уровня помех благодаря косинусоидальной направленности микрофона. Величина может быть определена из рис. 5.15.

Пример. Пусть требуется найти на частоте 500 Гц шумозащищенность микрофона, в котором разность хода между передней и задней сторонами подвижной системы составляет 2,5 см, расположенного на расстоянии 1,25 см от полезного источника. В данном случае По таблице, помещенной вверху рисунка, видно, что растоянию 1,25 см и частоте 500 Гц соответствует Восстанавливая ординату в этой точке оси абсцисс до пересечения с кривой, имеющей отметку отсчитываем по оси ординат что и является искомой величиной.