Акустические локаторы и направленные микрофоны

Люди в силу своей любознательности всегда стремились услышать больше и дальше. Для этого использовались разные технические устройства от акустического локатора до направленного микрофона.

Акустические локаторы Кто-то делал это из любопытства, кто-то для получения преимуществ в военном деле, кто-то для расширения области известного мира. На стыке интересов военных (ресурс — деньги) и ученых (ресурс — знания) всегда появлялись изобретения.  Средства, которые для этого применялись всегда соответствовали высшему уровню технологии.

 

Такие смешные «уши-чебурашки» в начале 19 века не были такими наивными игрушками, как нам теперь кажется. Они реально действовали.

Их разнообразие и многонациональность, говорят о соревновании передовых держав в этом направлении.

 

 

 

 

Все началось с приложенной к уху ладони, со слухового рожка слуховой рожок, который старички прикладывали к уху, потом была акушерская трубка, стакан, приложенный к стене, стетоскоп.

Как раз на попытках расширить и удлинить ушную раковину основывался принцип действия слуховых рожков для глухих.

ak_rad3

 

 

Топофон профессора Майера, 1880 г..В 1880 году некто профессор Майер придумал большие уши, не занимающие рук.  Они опирались на плечи носителя

Топофон профессора Майера, 1880 г.

Эти уши направленного действия и позволяли приблизительно определить местоположение источника шума, его локацию. Ну, просто потому, что стоит отвернуться от него — и уже ничего не слышно. Или, по простому, бинауральность.

Великобритания, 1898 год: Эксперимент Рева М. Дж. БеконаИ, само собой, едва только в небе зажужжала авиация, раструбы для ушей немедленно были поставлены на военную службу. Теперь они назывались акустическими локаторами и требовались как раз для своевременного обнаружения вражеской авиации и определения направления — откуда её ждать.

Один из первых экспериментов на эту тему — некто Рев М. Дж. Бекон и помогающие ему добровольцы пытаются слушать, как летит воздушный шар, Великобритания, 1898 год: Эксперимент Рева М. Дж. Бекона

Британский саундлокатор Mk 1, 1914-1918
Британский саундлокатор Mk 1, 1914-1918

Передвижной четырёхтрубный локатор времён Первой мировойПередвижной четырёхтрубный локатор времён Первой мировой

 

Американская двухрожковая система, армейский колледж Форт Макнэйр (Fort McNair), 1921 год
Американская двухрожковая система, армейский колледж Форт Макнэйр (Fort McNair), 1921 год
Чешский локатор 1920-х
Чешский (?) четырёхтрубный локатор 1920-х обслуживался двумя человеками:
Чешский локатор 1920-х
Переносной акустический локатор времён Первой мировой
Переносной акустический локатор времён Первой мировой

Ещё один боевой чебурашка:
Переносной акустический локатор времён Первой мировой

Японский император Хирохито инспектирует подразделение боевых слуховых труб, 1930-е
Японский император Хирохито инспектирует подразделение боевых слуховых
труб, 1930-е
Французский акустический локатор 1930-х
Французский локатор 1930-х состоял из четырёх гексагональных
блоков, каждый из которых содержал 36
гексагональных рожков. Обслуживали устройство три
оператора

 

Британские локаторы конца 1930-х
Королевские инженеры испытывают акустический локатор, Великобритания,
1938г.

 

Супернавороченный немецкий локатор RRH (Ringtrichterrichtungshoerer)
Супернавороченный немецкий локатор RRH (Ringtrichterrichtungshoerer), это уже Вторая мировая:
Американский локатор 1943 года
Американский локатор 1943 года
Акустический локатор в Ленинграде. Великая Отечественная война
А вот и наши — акустический локатор противовоздушной обороны в блокадном Ленинграде. Акустический локатор в Ленинграде. Великая Отечественная война

 

Звуковое зеркало, Великобритания
Но по величине ушей всех, конечно, обскакали британцы. Они в 1920-1930-е
годы понастроили у себя вот таких штук
Звуковые зеркала, Великоб
Это звуковые зеркала. Огромные параболические рефлекторы. До сих пор, кстати, стоят. Они были нужны для дальнего обнаружения вражеских кораблей. Там внутри комнатка, в ней сидел человек и слушал море.

СОВРЕМЕННОСТЬ

Можно сколько угодно потешаться над военной техникой прошлого тысячелетия, но…

Параболические направленные микрофоны

Направленный микрофон Супер Ухо-100
Направленный микрофон Супер Ухо-100

Параболические направленные микрофоны, которые по современным оценкам позволяют в 5 раз усилить звук в нужном направлении.

Микрофон направленного действия с моноклем. Идеально подходит для прослушивания удалённого разговора. Мощная система регистрации звука усиливает звук до 70 децибел и позволяет слышать даже самое слабое пение птиц, или негромкий разговор, или шумы на расстоянии до 100 м. Для увеличения направленности и кучности сбора звуков в микрофоне направленного действия используется пластиковая параболическая тарелка. с встроенным диктофоном (цена 1500 руб.)

Параболические направленные микрофоны (принцип действия)
Параболические направленные микрофоны (принцип действия)

подробно технология описана в разделе Запись голосов животных

 до зубов вооружен направленным микрофоном.
…до зубов вооружен направленным микрофоном

Направленный микрофон органного типа (Резонансный микрофон)

Резонансный микрофон основан на использовании явления резонанса в металлических трубках разной длины. Например, в одной из модификаций такого микрофона используется набор из 7 трубок длиной от 5 до 55 см.
С помощью такого микрофона можно прослушать разговор на расстоянии до 1 км, реализовав принцип «никого рядом нет, но Вас хорошо слышно».

Направленный микрофон из 7 трубок с параболическим рефлектором
Направленный микрофон из 7 трубок с параболическим рефлектором
Таблица 1. Характеристики трубок направленного микрофона
Таблица 1. Характеристики трубок направленного микрофона

Простой направленный микрофон представляет собой набор из семи алюминиевых резонансных трубок диаметром 10 мм.

Длина трубки определяет резонансную частоту звукового сигнала, а формула для расчета длины трубок имеет вид:

L= 330/2F,
где L — длина трубки в метрах, F — резонансная частота в герцах.

При желании в сети вы без труда найдете схему устройства, в котором используется

Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, приходят к микрофону в одинаковой фазе, а с боковых направлений (по причине отличной скорости распространения звуковых волн в металле, а также разной длины трубок) — оказываются сдвинутыми по фазе. Следует отметить, что микрофонный усилитель усиливает звуки, приходящие со всех сторон, и если отношение сигнал/шум будет недостаточным, то необходимо применять специальные направленные микрофоны.

 Схема "боевого" резонансного микрофона
Схема «боевого» резонансного микрофона

Трубчатые микрофоны

Трубчатые микрофоны, или микрофоны «бегущей» волны, представляют собой вариант направленного резонансного микрофона  Принцип их действия поясняется на рисунке
Трубчатые микрофоны

Направленные микрофоны на базе фазированных решеток.

Направленные микрофоны на базе фазированных решеток.Плоские фазированные решетки реализуют идею одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука.

В 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.

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.

Микрофонная решётка (микрофонный массив)

Микрофонная решётка (микрофонный массив) — один из видов направленных микрофонов. Состоит из множества микрофонов, находящихся в одной плоскости. Диаграмма направленности создаётся при помощи изменения фаз волн.

Микрофонная решётка (микрофонный массив)
Плоский микрофон фирмы G.R.A.S. ФАР (фазированная антенная решетка)

Применения:

  • Системы, уменьшающие шум при записи голоса (применяется в телефонах, системах распознавания речи, в слуховых аппаратах)
  • Создание (запись) объемного звука (Surround)
  • Определение местоположения объектов по звуку, например, в военных целях — для определения точки нахождения снайпера или артиллерийской установки, производящих выстрел; определение местоположения и маршрута самолетов.
  • Высококачественная (Hi-Fi) запись звука

Исследовательские микрофонные массивы могут достигать больших размеров, так, в Massachusetts Institute of Technology исследовался массив из 1020 микрофонов. В одном из экспериментов данная решетка позволила выделить речь любого из 5 человек, которые одновременно зачитывали разные тексты.

ОС семейства Windows начиная с Vista, имеют поддержку встроенных и создаваемых пользователем микрофонных решеток.

—————————————-

…И, поверьте, точка еще не поставлена.
Говоря о будущем данной  отрасли можно выделить по крайней мере три направления возможного совершенствования направленных микрофонов.
—  С 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.

 

PS   Любая антенна может использоваться как для приема сигнала, так и для его излучения. Так любое из описанных выше устройств может превратиться из мирных средства пассивного подслушивания в агрессивные средства нападения.

 

Акустические локаторы и направленные микрофоны: 1 комментарий

Добавить комментарий