Акустический преобразователь с пространственной избирательностью по дальности

 

Использование: в электроакустике, в частности в акустическом преобразователе с пространственной избирательностью по дальности. Сущность изобретения: преобразователь содержит восемь микрофонов давления, первые четыре из которых подключены к входам сумматора через усилители, а вторые четыре подключены к другим входам сумматора через последовательно соединенные инверторы и усилители. Микрофоны давления расположены в вершинах куба таким образом, что на каждом из ребер куба находятся микрофоны, включенные в противофазе. Расстояние "h" между микрофонами составляет величину, меньшую или равную четверти (лямда) минимальной длины волны рабочего диапазона. 2 ил.

Изобретение относится к электроакустике и может быть использовано в аппаратуре связи, в радиовещании, телевидении, в системах звукозаписи для приема звуковых колебаний от источников ближней зоны при наличии мешающих источников дальней зоны.

Известны градиентные микрофоны 1-го порядка [1]. Недостатком этих микрофонов является их невысокая пространственная избирательность при приеме сигнала от источников ближней зоны в присутствии помех от произвольно расположенных источников дальней зоны. Эти устройства, имея косинусоидальную двухстороннюю диаграмму направленности, обеспечивают за счет градиента давления лишь незначительное повышение отношения сигнал/помеха.

Известен комбинированный приемник акустических сигналов, состоящий из приемника давления и приемника градиента давления, заключенных в один корпус, позволяющий с помощью переключателя получать сферическую диаграмму направленности (ненаправленный приемник давления), двухстороннюю косинусоидальную диаграмму направленности (приемник градиента давления) и кардиоидную диаграмму направленности (комбинация приемников давления и градиента давления). (Иоффе В.Г., Корольков В.Г., Сапожников М.А. Справочник по акустике. - М. : Связь, 1979, с.98-99, 101-102). Недостатком этого микрофона также является его невысокая пространственная избирательность при приеме сигнала от источника ближней зоны в присутствии помех от произвольно расположенных источников дальней зоны, т.к. известное устройство обеспечивает эффективное подавление помех от источников дальней зоны только в узком телесном угле - минимуме кардиоидной диаграммы направленности.

Наиболее близким по технической сущности является акустический преобразователь, содержащий семь микрофонов давления, три усилителя, сумматор [2].

Данный преобразователь выбран в качестве прототипа.

В прототипе по сравнению с описанными выше преобразователями акустических колебаний достигается более высокая пространственная избирательность. Благодаря сферической диаграмме направленности, двойному дифференцированию звукового давления по каждой пространственной координате и обработке сигналов с микрофонов подавляются мешающие сигналы, приходящие с произвольных направлений от источников дальней зоны. Выходной сигнал известного устройства пропорционален сумме производных 4-го порядка от звукового давления по координатам x,y и z.

Однако, известное устройство оказывается высокочувствительным к технологическим, эксплуатационным и другим погрешностям, что делает весьма затруднительным получение высокой реальной пространственной избирательности.

Жесткие требования предъявляются к точности геометрических размеров - расположению микрофонов, их идентичности, стабильности эксплуатационных характеристик - температуры, влажности, давления, электрических параметров (например, стабильности источников питания) и др. Незначительные отклонения в любом из этих параметров приводят к разбалансировке устройства, резкому уменьшению отношения сигнала к шуму (за счет неподавления сигналов дальней зоны), и, следовательно, существенному снижению пространственной избирательности по дальности.

Целью изобретения является повышение пространственной избирательности по дальности путем снижения чувствительности к технологическим и эксплуатационным погрешностям.

Достигается это тем, что в акустический преобразователь введены восьмой микрофон давления, три инвертора и пять усилителей, причем первые четыре микрофона подключены к входам сумматора через соответствующие усилители, а вторые четыре микрофона подключены к другим входам сумматора через соответствующие последовательно соединенные инверторы и усилители, при этом микрофоны расположены в вершинах куба, расстояние между ними h выбрано из условия h ≅λ /4, где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона, и на каждом из ребер куба находятся микрофоны, включенные в противофазе.

На фиг.1 представлена структурная схема акустического преобразователя с пространственной избирательностью по дальности; на фиг.2 - схема расположения микрофонов давления.

Акустический преобразователь с пространственной избирательностью по дальности (фиг. 1) содержит микрофоны давления 1-8, при этом микрофоны 1-4 через усилители 9-12 подключены к сумматору 13, микрофоны давления 5-8 через последовательно соединенные инверторы 14-17 и усилители 18-21 также подключены к сумматору 13.

Микрофоны давления 1-8 являются ненаправленными и расположены в вершинах куба в ближней зоне источников полезных сигналов таким образом, что на каждом из ребер куба расположены микрофоны, включенные в противофазе. Иными словами, на каждом ребре куба находятся по одному из 1-4-х микрофонов и по одному из 5-8-ми микрофонов.

Устройство работает следующим образом. На вход каждого из микрофонов 1-4 воздействует акустическое поле, преобразующееся в электрические сигналы И₁, И₂, И₃, И₄, пропорциональные звуковым давлениям Р₁, Р₂, Р₃, Р_4. Эти сигналы через усилители 9-12, осуществляющие их усиление, поступают на входы сумматора 13. Одновременно акустическое поле, воздействуя на микрофоны давления 5-8, преобразуется последними в электрические сигналы И₅, И₆, И₇, И₈, пропорциональные звуковым давлениям Р₅, Р₆, Р₇, Р₈, соответственно. Выходные сигналы микрофонов давления И₅, И₆, И₇, И₈, проходя через инверторы 14-17, изменяют фазу на 180^о. С выхода инверторов 14-17 эти сигналы через усилители 18-21, осуществляющие усиление инвертируемых сигналов, поступают на входы сумматора 13, который осуществляет суммирование электрических сигналов. Выходной сигнал сумматора 13 является выходным сигналом устройства.

В предлагаемом акустическом преобразователе, состоящем из восьми микрофонов, расположенных в вершинах куба, в совокупности с четырьмя инверторами и восемью усилителями в результате суммирования сигналов сумматором осуществляется операция, эквивалентная вычислению третьей смешанной производной звукового давления по координатам x,y,z, что позволяет существенно ослабить мешающие сигналы от источников дальней зоны и получить высокую пространственную избирательность устройства.

Формула изобретения

АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ ПО ДАЛЬНОСТИ, содержащий семь микрофонов давления, инвертор, три усилителя, сумматор, отличающийся тем, что в него введены восьмой микрофон давления, три инвертора и пять усилителей, причем первые четыре микрофона подключены к входам сумматора через соответствующие усилители, а вторые четыре микрофона подключены к другим входам сумматора через соответствующие последовательно соединенные инверторы и усилители, при этом микрофоны расположены в вершинах куба, расстояние между ними h выбрано из условия h ≅ λ/4 где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона, и на каждом из ребер куба находятся микрофоны, включенные в противофазе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2