Направленный прием звуковых сигналов в малом телесном угле

Предложен способ остронаправленного приема звуковых сигналов в телесном угле не больше 15°. На жесткой линейной штанге размещают 4 микрофона. Использую микрофоны парами: одна пара расположена на максимальном расстоянии L_max друг от друга, две другие пары формируют расстояния L_cp и L_min, причем L_max>L_cp>L_min. Выходные сигналы с каждой пары микрофонов подключают к трем суммирующим усилителям через низкочастотные фильтры: на частоте F_peз1 для пары с расстоянием L_max, среднечастотные на F_peз2 c расстоянием L_cp и высокочастотные на F_peз3 с расстоянием L_min. Полоса пропускания фильтров относительно F_peз1, F_рез2 и F_рез3 составляет ±(30÷40) Гц. На выходе суммирующих усилителей установлены регулируемые пороговые устройства, выходные сигналы которых формируют единый выходной сигнал. Резонансные частоты F_peз1, F_peз2 и F_peз3 находят из выражения

,

где С_зв - скорость звука в воздухе, L - расстояние между парой микрофонов, - угол прихода звуковой волны на пару микрофонов равный 35÷45°, при котором на F_peз на выходе суммирующих усилителей выходной сигнал равен нулю. 2 табл., 3 ил.

 

Предлагается способ направленного приема звуковых сигналов в сверхмалом телесном угле, который предназначен для обнаружения трудно наблюдаемых или не наблюдаемых источников звука, а также может быть использован в ряде акустических применений научного и оперативного характеров.

Известен способ остронаправленного приема звуковых сигналов [1], который принят авторами как прототип (аналог) предлагаемого способа.

В качестве недостатка прототипа следует указать отсутствие расчетных данных величины телесного угла, в котором осуществляют прием звука от ненаблюдаемых источников звука в условиях присутствия акустических помех.

Техническим решением предлагаемого способа является устранение отмеченного недостатка прототипа, а именно достижение значения телесного угла при регистрации звука от ненаблюдаемых источников звука равного ±(10÷15).

Предложенный способ направленного приема звуковых сигналов в малом телесном угле включает в себя операции размещения не менее четырех приемных микрофонов на жесткой линейной основе, при этом нулевое направление приема звука микрофонами при α=0 определяют нормальным положением направления на источник звука к оси упомянутой жесткой основы. При этом выходы пары микрофонов, расположенных на максимальном расстоянии друг от друга L_max, подключают к выходам операционного суммирующего усилителя через низкочастотные фильтры, а пары микрофонов, расположенных на расстояниях L_cp и L_min, подключают соответственно к суммирующим усилителям через средне- и высокочастотные фильтры. Выходные сигналы с упомянутых суммирующих усилителей используют для формирования единого выходного сигнала. В соответствии с предложением, в упомянутых фильтрах полосу пропускания частот относительно резонансной частоты F_peз устанавливают равной ±(30÷40) Гц, частоту F_peз устанавливают из выражения

,

а в качестве микрофонов используют однотипные однонаправленные микрофоны, оси диаграмм направленности которых направлены в сторону источника звука, при этом на выходе каждого суммирующего усилителя, связанного с парой микрофонов, устанавливают регулирующие пороговые устройства, выходные сигналы которых используют для формирования единого выходного сигнала, где С_зв - скорость звука в воздухе, L — расстояние между парой микрофонов, α* — угол прихода звуковой волны на пару микрофонов равный 35÷45°, при котором на резонансной частоте F_рез на выходе суммирующих усилителей выходной сигнал равен нулю.

Далее предлагаемый способ поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 - остронаправленный приемник звука, предложенный в работе [1], где 1 — звуковая волна; 2 - фронт звуковой волны; 3 — жесткая линейная основа (штанга) с микрофонами 4; 5 - разъемы, обеспечивающие механическое крепление и электрическое соединение микрофонов 4 с ручкой 6; 7 - органы регулировки порогов и усиления; 8 - разъемы с выходными сигналами; L_max, L_cp, и L_min — расстояния между парами микрофонов 4 на жесткой основе 3 (штанга); α — угол между фронтом звуковой волны 2 и осью линейной основы (при α=0 фронт 2 параллелен оси основы).

Фиг. 2 - диаграмма направленностей однонаправленного микрофона (кардиоида) из работы [2].

Фиг. 3 - функциональная схема включения микрофонов в предложенном способе приема звука, где 9, 10, 11 - соответственно фильтры с резонансными частотами F_peз1(L_max), F_peз2(L_cp) и F_peз3(L_min) с полосой пропускания каждого фильтра равной ±(30÷40) Гц; 12 - операционный суммирующий усилитель; 13 - элементы регулировки амплитудного порога на выходе усилителя 12; 14 - выходные гнезда звукового сигнала.

На Фиг. 1 показано устройство приемника звука из работы [1]. Звуковая волна 1 с фронтом 2 воздействует на микрофоны 4, размещенные на жесткой линейной основе - штанге 3. Расстояние между крайними микрофонами 4 составляет L_max, а два других микрофона по отношению к крайним микрофонам размещены на расстояниях L_cp и L_min. При параллельности фронта 2 и оси штанги (основы с микрофонами 4) звуковые колебания будут поступать на микрофоны 4 в одной фазе, то есть при α=0. При α≠0 прием звуковых волн парами микрофонов происходит со сдвигом по фазе или с временной задержкой Δt_зад находим из выражения

или

Величина Δt_зад⋅С_зв имеет размеренность длины и может быть выражена в долях длины волны звука. Так как АС есть расстояние между микрофонами, то (1) можно записать в виде

откуда

Выражение (2) соответствует полной амплитудной компенсации звукового сигнала на выходе суммирующего усилителя на частоте F_peз при угле поступления звуковой волны равном α*. Так при L=0,5 м и α*=45°:

Особенности слуха человека заключаются в том, что воспринимаемый сложный звуковой сигнал анализируется по частоте и амплитуде с определенными характеристиками |2].

Далее анализ предложенного способа будет выполняться на примере приема речи человека. Речевой тракт - сложный непрерывно перестраеваемый фильтр с набором резонансов, которые создаются полостями рта, носа, носоглотки. Монотонный спектр импульсов основного тона, возникающий в голосовых связках, преобразуется в спектр с максимумами и минимумами. Такие максимумы в спектре называют формантами [2, 3]. Первая форманта имеет резонансную частоту F_peз1 в диапазоне 400÷600 Гц, вторая форманта F_peз2 - 0,8÷1,0 кГц, третья форманта F_peз3 - 1,2÷1,8 кГц. Поэтому авторы предлагают в качестве резонансных частот упомянутых фильтров использовать указанные резонансные формантные частоты [1].

Фиксированные расстояния между парами микрофонов L_max, L_cp и L_min, таким образом, должны соответствовать (см. (2)) частотам из указанных диапазонов формант при заданном угле α*.

По мнению авторов угол α* должен устанавливаться равным 35÷45°. Такие значения α* на указанных частотах F_peзl, F_peз2, HF_peз3, с одной стороны, обеспечивают полную амплитудную нейтрализацию акустических помех с пары микрофонов. С другой стороны, при поступлении помехи в угле ±2α* сигналы с пары микрофонов в суммирующем усилителе складываются. Для уменьшения амплитуды таких помех предложено использовать микрофоны с односторонней направленностью с диаграммой в виде кардиоиды или суперкардиоиды. Чувствительность таких микрофонов при углах α*=70÷80° уменьшается до значений 0,05÷0,6. Таким образом, предложения установления угла α* в диапазоне 35÷45° и использование однонаправленных микрофонов в предлагаемом способе обеспечивают пространственную селекцию полезного сигнала.

В прототипе не отмечены полосы пропускания (резонансных) фильтров. Авторами выполнен расчет амплитуд двух синусоидальных величин с одинаковой частотой и амплитудой в зависимости от величины фазового сдвига между ними. Приняв одну из фаз за нуль, сумма амплитуд двух синусоидальных величин имеет вид

где А - амплитуда синусоид, ϕ - фазовый сдвиг между синусоидами. Поступающие на любую пару микрофонов с расстояниями между ними L_mах, L_cp и L_min звуковые сигналы при углах α*=35÷45° на частотах F_peз.min, F_рез.ср и F_рез.mах обеспечивают сдвиг по фазе равный 180° (0,5λ_рез), что и обеспечивает A_∑=0. Но акустические помехи могут поступать на эти пары микрофонов в углах α=0÷90° и в широком частотном диапазоне.

В таблице 1 приведены значения A_∑ при А₁=А₂=1,0 и для L≅0,5 м, α*=45° имеем F_peз=486 Гц и ширина полосы пропускания (относительно F_peз) равна ±30 Гц и ±50 Гц.

Из таблицы 1 следует, что при установлении на выходе операционных усилителей, на входы которых поступают сигналы от упомянутых пар микрофонов, устанавливают пороговое устройство, при уровне порога равном ~1,60 звуковой сигнал может быть зафиксирован в телесном угле ±15°.

Понятно, что для резонансной частоты второй форманты F_peз2≅0,9 кГц расстояние между микрофонами L_cp в соответствии с (2) должно быть L_cp=0,27 м, а для резонансной частоты третьей форманты F_peз3≅1,3 кГц расстояние L_min≅9 см. Также очевидным является и тот факт, что при полосе пропускания ±30 Гц или ±50 Гц относительно соответствующей резонансной частоты будут соответствовать значениям A_∑, приведенным в таблице 1.

Для наглядности и сравнения в таблице 2 приведены расчетные значения α*=35° (при котором A_Σ=0). Значения в таблице 1 получены при L_max - 0,5 м и в этом случае F_peз1=5921 Гц (для ее уменьшения следует увеличивать L_max), а значения А_∑ приведены при полосе пропускания ±30 Гц.

Из таблицы 2 следует, что при установлении порога на выходе суммирующих усилителей равного, например, 1,8, телесный угол, в котором может быть зафиксирован сигнал в указанной полосе частот, составит ±10°.

Акустические помехи, поступившие на пары микрофонов в угле 75÷90°, уменьшаются за счет использования однонаправленных микрофонов.

Следует отметить, что использованная при расчетах A_∑ полоса пропускания фильтров практически равна критическим полосам частот слуха человека [3]. Для этих полос пропускания характерным является факт, что тон на формантной частоте в указанной полосе пропускания может быть услышан, если уровень равномерного шума будет превышать уровень сигнала на 1,8 дБ.

Обобщая данные таблиц 1 и 2 можно сделать следующие заключения:

- углы α*, при которых A_∑=0, можно назвать углами компенсации, и их рекомендуемые значения равны 35÷45°;

- рекомендованные значения углов α* обосновывают применение однонаправленных микрофонов;

- регулировка порога при регистрации суммирующего сигнала в диапазоне (1,5÷1,8)⋅А позволяет регулировать величину телесного угла, в котором можно зафиксировать сигнал от источника звука в полосе частот трех формант человеческой речи, равного ±10÷15°.

Таким образом, предложен способ регистрации звуковых сигналов в малом телесном угле (±10÷15°), в котором использованы:

- пространственная селекция при углах компенсации α*=35÷45°;

- частотная селекция, связанная с использованием основных частот фильтров равных формантным и установлением полосы пропускания фильтров (30÷40) Гц;

- амплитудная селекция на выходе суммирующих усилителей пар микрофонов в виде регулирующих амплитудных порогов.

На Фиг. 3 приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ. Выходные сигналы с соответствующих пар микрофонов 3 с расстоянием между ними L_max, L_cp и L_min через фильтры 9, 10 и 11 подключают к выходам суммирующих операционных усилителей 12. Выходные сигналы этих усилителей через элементы с регулирующим порогом 13 подключают к последующим суммирующим усилителям для формирования единого выходного сигнала, который подключают к выходным гнездам 14.

Следует отметить, что при наличии 4-х микрофонов, расположенных на жесткой основе - штанге, число возможных сочетаний пар микрофонов равно 6-ти. В настоящем предложении и в формуле отмечено использование только 3-х пар микрофонов. Это связанно с тем, что суть предложенного способа достаточно полно поясняется использованием 3-х пар. Использование других сочетаний, частоты которых F_peз определяются неравенством F_min<F_peз<F_max, с одной стороны, увеличивает эффективность регистрации звука от ненаблюдаемых источников звука, а с другой стороны, может существенно увеличить массово-габаритные характеристики устройства за счет фактически удвоения схемы обработки сигнала и ее питания. При снятии жестких требований к массово-габаритным характеристикам возможно использование сочетания 6-ти пар микрофонов.

Авторы не указывают типы микрофонов, которые могут быть использованы в предложенном способе, так как они достаточно широко представлены в информационных предложениях фирм производителей в России и за рубежом.

Конструктивное исполнение устройства по схеме на Фиг. 1 предлагает размещение на лицевой панели ручек 6-ти органов управления (3 регулировки порогами при регистрации и 3 ручки управления суммирующими усилителями при форматировании единого выходного сигнала) и гнезд выходных сигналов для подключения, и головных наушников, и других записывающих и передающих устройств.

Используемая литература

1. Аленин B.C., Крутяков Ю.А., Венедиктов М.Д., Кочалов А.Ю. Способ ОН приема звуковых волн. - Патент РФ №2538031 от 16.10.2012 г., патентодержатель ФГОБУ ВПО МТУСН.

2. Алдошин И.А., Вологин Э.И., Ефимов А.П. и др. Электроакустика и звуковое вещание. -М.: Горячая линия - Телекон, 2007, 863 стр.

3. Сапожков М.А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. - М.: Связьиздат, 1968, 452 стр.

4. Audio - technica (alweys - listening), каталог продукции, 2013-2014.

Направленный прием звуковых сигналов в малом телесном угле, включающий в себя операции размещения не менее четырех приемных микрофонов на жесткой линейной основе, при этом нулевое направление приема звука микрофонами при α=0 определяют нормальным положением направления на источник звука к оси упомянутой жесткой основы, причем выходы пары микрофонов, расположенных на максимальном расстоянии друг от друга L_max, подключают к выходам суммирующего операционного усилителя через низкочастотные фильтры, а пары микрофонов, расположенных на расстояниях L_cp и L_min, подключают соответственно к своим суммирующим усилителям через средне- и высокочастотные фильтры, а выходные сигналы с упомянутых суммирующих усилителей используют для форматирования единичного выходного сигнала, отличающийся тем, что полосу пропускания частот в упомянутых фильтрах относительно их резонансной частоты F_peз устанавливают равной ±(30÷40) Гц, частоту F_рез устанавливают из выражения

а в качестве микрофонов используют однотипные однонаправленные микрофоны, оси диаграмм направленности которых направлены в сторону источника звука, при этом на выходе каждого суммирующего усилителя, связанного с парой микрофонов, устанавливают регулирующие пороговые устройства, выходные сигналы которых используют для формирования единого выходного сигнала, где С_зв - скорость звука в воздухе, L - расстояние между парой микрофонов, α* - угол прихода звуковой волны на пару микрофонов равный 35÷45°, при котором на резонансной частоте F_рез на выходе суммирующих усилителей выходной сигнал равен нулю.