Микрофонная решетка своими руками

Направленный микрофон своими руками

В кино про шпионов часто показывают, как они направляют небольшие параболы на людей, разговаривающих в отдалении. Не стоит думать, что подслушка на большом расстоянии является прерогативой исключительно спецслужб. Подобную аппаратуру часто используют исследователи мира животных, для записи голосов зверей и птиц, охотники, поисковики-спасатели, иногда, частные детективы и просто любопытствующие.

Профессиональные микрофоны направленного действия стоят дорого. От 6000 рублей и выше. Однако можно постараться обойтись минимумом средств и сделать направленный микрофон своими руками.

Немного теории

На слышимость разговора влияет достаточно много факторов и, главным образом, атмосферные:

• ветер;
• шум дождя, листвы;
• положение подслушиваемых собеседников — стоят ли они лицом друг к другу или расположены параллельно;
• громкость самого разговора.

Установлено, что громкость обычного разговора в 60 децибел, пройдя дистанцию в 100м, ослабляется в среднем на 40дБ. Чтобы услышать о чем говорят, и были придуманы направленные микрофоны с высокой пороговой чувствительностью.

Существует 4 вида таких устройств:

1. Параболические, самые известные, где звук улавливается антенной в виде параболы диаметром от 20 до 50 см и фокусируется в ее центре, где улавливается стоящим там микрофоном. Чем больше антенна, тем выше чувствительность такого прибора. При всей простоте конструкции, у нее есть и недостатки. Она слишком громоздка и заметна и имеет плохую избирательность.
2. Микрофоны, использующие принцип бегущей волны или трубчатые состоят из трубки диаметром до 30 мм, в которой по всей длине вкруговую прорезаны щели. Звуковые волны, попадая в щели, потом суммируются микрофоном. Чем длиннее трубка, а длина ее может доходить и до метра, тем выше избирательность и чувствительность. Иногда их монтируют в зонт или трость.
3. Фазированная решётка представляет собой пластину, в определенных местах которой вмонтированы иногда до десятка микрофонов. Или звуководы, сигналы которых складываются в акустическом сумматоре. Приборы такого типа компактны и могут располагаться под одеждой или быть замаскированы под кейс. Недостаток — не может улавливать звук с больших расстояний.
4. Градиентные, представленные в продаже аппаратами первого порядка. Профессиональные, скрытные, миниатюрные. Состоят из двух стоящих рядом микрофонов. Звуковой сигнал не суммируется, а вычитается по направлению прихода сигнала. Системы более высоких порядков не продаются.Есть еще и такая редкая разновидность как органные или резонансные микрофоны. Конструкция представляет собой до десятка трубок различной длины и диаметра. Каждая из них улавливает звук в своем диапазоне, а затем он суммируется. Но это громоздкая и низко эффективная технология, которая не сильно популярна.

Какого бы типа не был прибор, сигнал от микрофона приходит на усилитель, а оттуда на наушники или записывающее устройство.

Как сделать направленный микрофон

• динамический микрофон МД-201 или любой другой микрофонный капсюль;
• готовый усилитель или собранный самостоятельно;
• наушники от телефона;
• 10-15 см коаксиального провода 50 или 75 ом;
• 9-вольтовый аккумулятор или батарейка;
• небольшой кусочек поролона;
• бархатная бумага, обычно продается в магазинах для поделок.

Схема направленного микрофона не очень сложна. Ее можно спаять не только на печатной плате, но и на плотной картонке.

Трубчатый направленный микрофон своими руками (упрощённая модель)

Скатываем бумагу в трубку диаметров 10 см, обязательно бархатной стороной внутрь. Длина трубки может быть до 50 см. Из поролона вырезается кружок и вставляется в торец трубки. В поролон укрепляется микрофон, припаянный коаксиалом ко входу усилителя. Наушники подключаются к выходу через любой подходящий разъем.

При такой цельной однотрубчатой системе получится отсеять все помехи от посторонних излучателей, но не получится усилить естественным путём акустическую волну от нужного источника, на который направлена трубка. Электроника, конечно, усилит сигнал, но не так качественно, как это делают серийные изделия. Всё дело в том, что на серийных изделий в направленных микрофонах трубчатого типа используется усиление полезного сигнала ещё на пути по трубке к усилителю. Делается это за счёт интерференции, получаемой от наложения акустической волны, идущей по трубке, на волны, дополнительно проникающие внутрь трубки через боковые отверстия в трубке. Можно поэкспериментировать, и наделать таких отверстий самостоятельно, но эффект скорее всего будет отрицательным, ибо там нужно всё аккуратно и чётко рассчитать, в соответствии с теорией.

Делаем направленный микрофон параболического типа

Таким же образом получится сделать и микрофон параболического типа, заменив трубку на подходящую параболу, сделанную из верхней части 5-литровой баклажки или старого отопительного рефлектора. Тут нужно суметь собрать отражённые поверхности тарелки лучи в точке установки микрофона. Помочь в этом может игра с точечным источником света находящемся на расстоянии от тестируемой тарелки-отражателя в тёмном помещении. Необходимо получить яркое пятно света на микрофоне, как на картинке справа.

Сам микрофон должен при этом быть спрятан от посторонних акустических сигналов. Чем точнее вы это сделаете, тем качественнее будет усиление полезного сигнала.

Источник

Тема: Самодельный shotgun микрофон — теория, практика, оценка результатов

Опции темы

Самодельный shotgun микрофон — теория, практика, оценка результатов

в данной теме я буду освещать процесс создания направленного микрофона с нуля.

идея создания направленного микрофона родилась у меня тогда, когда я снимал свою первую короткометражку и попросту завалил весь звук, используя паршивенькую китайскую пушку и такого же паршивенького звукача, который её держал. звук был тихим, шумным, полным паразитной реверберации, ненужных звуков и хреновой АЧХ. было решено создать качественный, остронаправленный микрофон, не потратив на это каких-то глобальных сумм денег. за основу будущего микрофона был взят капсюль из накамерного профессионального микрофона-пушки Sony ECM XM1. при жизни этот микрофон не хватал звёзд с небес — трудился себе на моей плечевой камере, записывал худо-бедно интершум на видео, да и ладно. с расстояния в 2 метра звук говорящего человека с него уже можно было считать браком. я почему-то грешил на схему его преампа и акустическое решение его интерференционной трубы без задней камеры:

внутри соневской пушки оказался капсюль трёхпроводного исполнения, который позволяет использовать самые различные схемы включения полевого транзистора. в родной схеме ток, протекающий через полевой транзистор, был примерно 0.13мА. первый свой микрофон (кардиоида) я сделал на таком же капсюле, с преампом по схеме Fenyx*а http://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=2822 с ФВЧ второго порядка с частотой среза 100Гц, с которым мне помог мой хороший друг Maxim_Sed. акустическое оформление микрофона было открытым, без интерференционной трубы, в последствии сверху всё было обтянуто металлической сеткой + нейлоновой тканью:

микрофон получился неплохим, очень малошумящим, с хорошей АЧХ и хорошо защищённым от порывов ветра, но хотелось больше направленности. так же хотелось другого преампа, с более грамотной схемой включения полевика. были промоделированы различные схемы на дискретных элементах, ОУ общего назначения и недешёвых инструментальных усилителях типа INA163 (которую я таки заказал, хотя мне она ,в общем-то, уже не нужна):

после долгих скитаний моделирований, с помощью толковых советов Tetragramaton*а и Begemot*а с http://www.audio-perfection.com/forum/ я остановил свой выбор на минимизации искажений в ущерб немного более низкому шуму и выбрал схему Tetragramaton*а отсюда http://www.audio-perfection.com/foru. 6.html#pid1566, у нас похожую схему прорабатывал в симуляторе semimat http://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=66583:

поговорим об акустическом оформлении микрофона.

задав себе в качестве сверхзадачи определённые параметры микрофона, перелопатив море фоток самых разных направленных микрофонов и разобрав несколько из них я пришёл к выводу, что мне нужен суперкардиоидный микрофон по архитектуре и геометрическим параметрам схожий с Sennheiser MKH 8070 и Sennheiser MKH 416. судя по тому, что мне удалось понять из фотографий потрошков данных микрофонов и почитав немного yahoo-группу micbilders https://groups.yahoo.com/neo/groups/. messages/23691 я пришёл к выводу, что в отличии от Sony ECM XM1 длинные суперкардиоидные пушки делаются с одной трубой, поперечными щелями малой ширины, малого интервала и с задней камерой с такой же интерференционной трубой. по технологическим соображениям я выбрал для своего микрофона интервал щелей 2.5мм и ширину щелей 1.2мм — очень близко к MKH8070 с его 1мм щелью и 2мм интервалом (для сравнения, у широко распространённых китайских пушек типа такой http://www.dx.com/p/professional-sta. 3#.VTQb9JPpi_Z ширина щелей 2.1мм при интервале в 3.5мм).

по совету Begemot*а я пролистал по этой теме пару интересных книжек Вахитовых http://www.twirpx.com/file/711378/ http://www.twirpx.com/file/121767/ — в них было сказано, что акустическое сопротивление щелей должно возрастать при приближении к капсюлю, а акустическое сопротивление задней части капсюля должно быть значительно выше, чем передней — в моей пушке я решу это с помощью последовательного уменьшения поперечной ширины щели от начала микрофона до капсюля и с помощью уменьшения внутреннего объёма в закапсюльном пространстве, как и у Sennheiser MKH416 (акустическое сопротивление тут автоматически увеличивается, потому как там проходит металлическая трубка с преампом диаметром 14мм — по узкому межтрубному пространству звуковой волне бежать сложнее).

перейдём к размерам!

таким образом, у меня вырисовались основные геометрические параметры будущего микрофона — материал Д1Т (смог достать только это), диаметр 20мм, толщина стенки 1мм, длина интерференционной части трубы до капсюля 260мм (104 щели) и после капсюля 110мм (44 щели), полная длина порядка 470мм.

переднюю и заднюю части интерференционной трубы я сделал различными по длине исключительно из соображения получения приемлемых геометрических размеров микрофона. вполне возможно, что в следующем своём микрофоне я сделаю их по классике, равной длины. правда, у меня есть подозрение, что в Sennheiser MKH 8070 капсюль установлен не посередине интерференционной трубы, а на самом её конце, ближе к разъёму и имеет заднее пространство с очень большим акустическим сопротивлением. в таком случае, возможно, что капсюль в этом микрофоне имеет круговую диаграмму направленности — о таких микрофонах есть упоминание у того же Вахитова.

отвлечёмся от схем, немного технологии.

как я уже говорил, материал корпуса микрофона это дюраль Д1Т с толщиной стенки 1мм. технологий изготовления узких ровных щелей в моих условиях мне виделось две, но отобрана была идеальная для меня — была собрана несложная приспособа для токарного станка, которая устанавливается вместо резцедержателя и в которой закрепляется труба микрофона. в ходе тестового пропила было обнаружено, что очень желательно внутрь трубки залить воск, в идеале сплав с капроном — тогда внутри не будет заусенцев и не будут возникать паразитные высокочастотные резонансы в процессе обработки. так же оказалось, что поверхность трубы надо мазать густым маслом типа Литол-24 — тогда на внешней части трубы не будет заусенцев и края щелей будут идеальными. сам процесс ясен из фоток:

в качестве защитной сетки для интерференционной трубы поначалу планировалось использовать нержавеющую сетку с ячейкой 0.4мм и толщиной 0.5мм, но на просторах интернета я нашёл упоминание о металлической маске кинескопа, которая имеет очень хорошие ветрозащитные свойства. такая сетка была приобретена и из неё были сделаны вставки в трубу. внутренняя часть сеток задемпфирована клеевой тканью, которая так же, как и сама сетка, не пропускает ветер (при этом со звуком проблем нет):

на этом пока всё, но продолжение обязательно последует.

Источник

Разделы сайта

Направленные микрофоны: мифы и реальность.

Абалмазов Эдуард Иванович, доктор технических наук, профессор

Статья перепечатана из журнала «Системы Безопасности» №4 1996 г.

О возможностях направленных микрофонов ходят самые разные слухи. Одни искренне верят в их большое дальнодействие, называя дистанции 100, 200 и более метров, другие, наоборот, считают, что имеет место неоправданная реклама, граничащая с дезинформацией. попробуем с помощью несложных математических расчетов выяснить реальное положение вещей.

Вместо введения

Говоря о направленных микрофонах, подразумевают прежде всего ситуации акустического контроля источников звуков на открытом воздухе, когда эффектами так называемой реверберации акустических пален можно пренебречь. Для таких ситуаций решающим фактором оказывается удаленность источника звука от направленного микрофона, что приводит к значительному ослаблению уровня контролируемого звукового поля (Кроме того при большой дистанции становится заметным ослабление звука из-за разрушения пространственной когерентности поля, вследствие наличия естественных рассеивателей энергии, например средне- и крупномасштабных турбулентностей атмосферы, создающих помехи при ветре).

Так, на дистанции 100 м давление звука ослабляется на величину не менее 40 дБ (по сравнению с дистанцией 1 м), и тогда степень громкости обычного разговора в 60 дБ окажется в точке приема не более 20 дБ. Такое давление существенно меньше не только уровня реальных внешних акустических помех, но и пороговой акустической чувствительности обычных микрофонов. Итак, в отличие от обычных, направленные микрофоны должны иметь:

— высокую пороговую акустическую чувствительность как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень собственных (в основном тепловых) шумов приемника. Даже при отсутствии внешних акустических помех это является необходимым условием контроля звука на значительном расстоянии от источника;

— высокую направленность действия как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень остаточных внешних помех. Под высокой направленностью действия понимается способность подавлять внешние акустические помехи с направлений, не совпадающих с направлением на источник звука. Соблюсти эти требования в полном объеме на практике (для одного микрофона) — задача исключительно сложная. Более реальным стало решение частных задач, например создание слабонаправленного микрофона с высокой чувствительностью или, наоборот, создание высоконаправленного микрофона с малой чувствительностью, что привело к разнообразию видов направленных микрофонов.

2. Виды направленных микрофонов.

Существует по меньшей мере четыре вида направленных микрофонов:

— параболические;
— плоские акустические фазированные решетки;
— трубчатые, или микрофоны «бегущей» волны;
— градиентные.

Параболический микрофон представляет собой отражатель звука параболической формы, в фокусе которого расположен обычный (ненаправленный) микрофон. Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного (например, акриловая пластмасса) материала.

Рис. 1 Параболический микрофон.

Величина внешнего диаметра параболического зеркала может быть от 200 до 500 мм. Принцип работы этого микрофона поясняется на рис. 1. Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в фокальной точке А. Возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн, приходящих в точку А, даст меньший результат, поскольку не все слагаемые будут в фазе. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Создается, таким образом, угловая избирательность по приему. Параболический микрофон является типичным примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона.

Плоские фазированные решетки реализуют идею одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука (рис. 2). В этих точках (А1, А2, А3. ) размещаются либо микрофоны, выходные сигналы которых суммируются электрически, либо, и чаще всего, открытые торцы звуководов, например трубки достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых пален от источника в некотором акустическом сумматоре.

Рис. 2 Плоская фазированная решетка.

К выходу сумматора подсоединен микрофон. Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звука- водам, будут в фазе, и сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если направление на источник звука не осевое, а под некоторым углом к оси, то сигналы от разных точек приемной плоскости будут разными по фазе и результат их сложения будет меньшим. Чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление. Обычно число приемных точек Аi в таких решетках составляет несколько десятков. Конструктивно плоские фазированные решетки встраиваются либо в переднюю стенку атташе-кейса с последующим камуфляжем, либо в майку-жилет, которая надевается под пиджак или рубашку. Необходимые электронные блоки (усилитель, элементы питания, магнитофон) располагаются соответственно либо в кейсе, либо под одеждой. Таким образом, плоские фазированные решетки с камуфляжем визуально более конспиративны по сравнению с параболическим микрофоном.

Трубчатые микрофоны, или микрофоны «бегущей» волны, в отличие от параболических микрофонов и плоских акустических

решеток, принимают звук не на плоскости, а вдоль некоторой линии, совпадающей с направлением на источник звука. Принцип их действия поясняется на рис. 3.

Рис. 3 Трубчатый микрофон.

Основой микрофона является звуковод в виде жесткой полой трубки диаметром 10-30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами по всей длине звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. Очевидно, что при приеме звука с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, поскольку скорости осевого распространения звука вне трубки и внутри нее одинаковы. Когда же звук приходит под некоторым углом к оси микрофона, то это ведет к фазовому рассогласованию, так как скорость звука в трубке будет больше осевой составляющей скорости звука вне ее, вследствие чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона от 15-230 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений.

Градиентные микрофоны высоких порядков на рынке открытых предложений практически не представлены. Исключением является градиентный микрофон первого порядка.

В отличие от фазированных приемных акустических решеток, использующих операцию сложения акустических сигналов, градиентные микрофоны основаны на операции вычитания по направлению прихода сигнала. Это ставит их априори в невыгодное положение по пороговой чувствительности, поскольку каждое вычитание ослабляет сигнал, но статистически суммирует внутренние помехи. В то же время сама по себе операция вычитания позволяет конструировать направленные системы малых размеров. Простейшим градиентным направленным микрофоном является микрофон, реализующий градиент первого порядка (рис. 4).

Рис. 4 Простейший градиентный микрофон.

Он представляет собой два достаточно миниатюрных и близкорасположенных высокочувствительных микрофона М1 и М2, выходные сигналы которых электрически (или акустически) вычитаются друг из друга, реализуя в конечных разностях первую производную звукового поля по оси микрофона и формируя диаграмму вида cos Q, где Q — угол прихода звука. Тем самым обеспечивается относительное ослабление акустических полей с боковых направлений (О — 90°). Градиентными микрофонами высоких порядков называют системы, реализующие пространственные производные 2-го, З-го и более старших порядков.

3. Как сравнивать и оценивать направленные микрофоны?

Основной пользовательской характеристикой направленных микрофонов является дальность их действия в конкретных условиях. Для открытого пространства и изотропных и независимых по угловым направлениям внешних акустических помех дальность действия R связана:

а) со спектральным отношением сигнал/помеха q на выходе направленного микрофона,

б) со спектральным уровнем речи Вр;

в) со спектральным уровнем внешних акустических помех Вш соотношением вида:

G — так называемый коэффициент направленного действия микрофона (дБ),

Вп — пороговая акустическая чувствительность микрофона (дБ).

Входящий в формулу (1) коэффициент G направленного действия характеризует степень относительного подавления внешних акустических помех: чем он больше, тем сильнее это подавление. Теоретически он связан с нормированной диаграммой направленности микрофона F (Q, j ) соотношением вида:

Q — угол прихода звуковой волны по отношению к оси микрофона;

j — угол прихода звуковой волны в полярных координатах плоскости,

перпендикулярной оси. Например, для трубчатого микрофона, когда

где l -длина волны звука. а L — длина трубки, имеем ( при L ? l . ) :

Аналогично выводится приближенная формула для коэффициента направленного действия параболических микрофонов и фазированных плоских решеток:

G = 4 p (S/ l 2 ) (5)

где S — площадь входной аппертуры; l .- длина волны звука. Для градиентных микрофонов n-го порядка

при оптимальной обработке сигналов

где n — порядок градиента. При известных значениях величины G формула (1) достаточна для получения абсолютных оценок ожидаемого спектрального отношения сигнал/помеха, если известны условия. Но во многих случаях знания этих условий бывают неточны. Поэтому более оправданно использовать не абсолютные, а относительные оценки дальности, как не требующие точных знании условии, поскольку сопоставление происходит при их равенстве. Принимая такую идеологию, сравним возможности направленных микрофонов с возможностями не вооруженного специальными устройствами человеческого слуха. Формально для него можно записать соотношение, аналогичное (1). В результате сравнения получим:

Здесь R₀ — дальность слышимости звука органом слуха;

R — дальность действия направленного микрофона с тем же качеством контроля.

Go — коэффициент направленного действия органа слуха человека (режим биноурального прослушивания ).

D Bп — разность пороговой чувствительности направленного микрофона и органа слуха. На рис. 5 представлен график зависимости относительной дальности действия R/Ro направленного микрофона как функции его коэффициента направленного действия G для случая, когда D Bп = О (вариант технически реализуем). Коэффициент Go направленного действия органа слуха человеком принят равным 6 дБ.

Из графика видно, что при G = 15 дБ (такое значение G примерно соответствует данным для большинства достаточно хороших микрофонов типа фазированных решеток и параболического типа) направленный микрофон позволит реализовать дальность контроля примерно в 3 раза большую, чем расстояние Ro, при котором звук воспринимается человеком без специальных приспособлений. Сопоставление проводится в одинаковых условиях для одного и того же источника звука. Практически этот результат означает следующее: если речь идет об акустическом контроле разговоров в городе, на улице, когда R₀ = 2 — 4 м, то направленные микрофоны позволят регистрировать разговор на расстояниях 6-12 м. В загородных условиях, с меньшим уровнем помех, когда величина Ro может достигать 10 м и больше, дальность контроля с использованием технических средств может составить более 30 м.

Рис. 5. Дальность действия направленного микрофона R по сравнению
с дальностью R» слышимости звука неоснащенным органом слуха.

Таковы оценки ситуаций использования направленных микрофонов в условиях открытого пространства. Но возможно применение направленных микрофонов и в закрытых помещениях, для которых обязателен учет реверберации, то есть отражений звуковых сигналов от стен помещений и предметов интерьера.

Формально в этих условиях соотношение (7) остается справедливым, если вместо G использовать приведенный коэффициент направленного действия G 0 :

где R — некоторый параметр, учитывающий площадь поверхности объема (так называемое акустическое отношение) .

4. Размышляя о будущем

Говоря о будущем данной специальной отрасли можно выделить по крайней мере три направления возможного совершенствования направленных микрофонов. G одной стороны, следует ожидать (по аналогии с адаптивной временной фильтрацией) появления приборов, способных к адаптивной пространственно-временной фильтрации акустических помех. Объективной основой таких приборов являются достижения в области цифровой многоканальной обработки данных. Вторая возможность совершенствования направленных микрофонов связана с прогрессом с области высокочувствительных акустических сенсоров, что принципиально позволяет создавать микрофоны с пороговой чувствительностью минус 10 – минус 15 дБ и предельной дальностью контроля при отсутствии внешнего шума. И, наконец, нельзя исключить появления принципиально новых направленных микрофонов, использующих нелинейные и параметрические эффекты для реализации органолептических скрытных антенн большого размера и способных обеспечивать к.н.д. 20-25 дБ и более.

Источник