Направленные микрофоны

Обычные микрофоны способны регистрировать человеческую речь на расстоянии, не превышающем нескольких десятков метров. Для увеличения дистанции, на которой можно производить прослушивание, практикуют применение направленного микрофона. Другими словами, это устройство собирает звуки только с одного направления, т.е. обладает узкой диаграммой направленности. Такие устройства широко применяются не только в разведке, но и журналистами, охотниками, спасателями и т.д.

В простейших из них узкая диаграмма направленности формируется за счет использования длинной трубки и микрофона, установленного в ней. Трубка маскируется под трость или зонт. В более сложных конструкциях могут использоваться несколько трубок различной длины - это так называемый микрофон органного типа. Такой микрофон способен улавливать звуки голоса на расстоянии до 1000 метров. Высокую направленность имеют также микрофоны, в которых диаграмма направленности формируется параболическим концетратором звука.

Можно выделить два основных типа направленных микрофонов:

с параболическим отражателем;
резонансный микрофон.

Микрофон с параболическим отражателем.

В микрофоне с параболическим отражателем собственно микрофон расположен в фокусе параболического отражателя звука. Направленный параболический микрофон с усилителем АD-9 концентрирует идущие звуки и усиливает их. Прост в обращении и настройке. В комплект входит микрофон, усилитель, кабель и головные телефоны. Электропитание - от батареи 9 В. Выпускаются несколькй моделей. Общим в конструкции всех этих микрофонов является наличие рукоятки пистолетного типа, параболического отражателя диаметром около 40 см и усилителя. Диапазон воспринимаемых частот составляет от 100-250 Гц до 15-18 кГц. Все микрофоны имеют автономное питание и имеют разъемы для подключения к магнитофону. Острая "игольчатая" диаграмма направленности позволяет при отсутствии помех контролировать человеческую речь на расстоянии до 1200 м. В реальных условиях (в условиях города) можно рассчитывать на дальность до 100 м.

Ниже представлен рисунок направленного микрофона с параболическим отражателем. (рис.1)

Резонансный микрофон.

Резонансный микрофон основан на использовании явления резонанса в металлических трубках разной длины. Например, в одной из модификаций такого микрофона используется набор из 37 трубок длиной от 1 до 92 см. 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. Так как подобные устройства на рынке практически не представлены, у авторов нет данных о преимуществах резонансных микрофонов.

С точки зрения скрытого контроля звука применение направленных микрофонов затруднено из-за зачастую неприемлемых их габаритов и источников акустических помех. Кроме того, для того, чтобы не быть прослушанным в автомобиле, достаточно просто поднять стекло. Ниже представлен рисунок направленного микрофона органного типа. (рис.2)

Схемы усилителей низкой частоты, которые можно использовать в микрофонах органного типа приведены на рис.3-4.

Конструирование чувствительных усилителей для прослушивания речи имеет свои особенности. Одна из практических схем микрофонного усилителя приведена на рис. 3.

Это устройство содержит двухкаскадный усилитель низкой частоты на малошумящих транзисторах VT₁ и VT₂, корректирующий фильтр на транзисторе VT₃ и оконечный усилитель, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме, на транзисторах VT₄-VT₆. Акустическое усиление сигнала звуковой частоты, приведенным устройством составляет 85 дБ, начальный ток потребления - 1,8 мА, полоса усиливаемых частот - от 0,3 до 3 кГц, максимальный выходной уровень сигнала - 124 дБ.

Сигнал с микрофона М1 типа "Сосна" через конденсатор С₁ поступает на базу транзистора VT₁. Поскольку чувствительность усилителя звуковой частоты ограничена внутренними шумами транзисторов, то для уменьшения шумов в первых каскадах усилителя использованы малошумящие транзисторы типа КТ3102. Усилительные каскады на транзисторах VT₁ и VT₂ охвачены глубокой отрицательной обратной связью, которая позволяет обеспечить устойчивую работу каскадов и более линейную АЧХ. Нагрузкой второго каскада усилителя является перемеяный резистор R₃, он же является и регулятором громкости. Сложный RС-фильтр, состоящий из элементов R₃, С₅, R₆, С₆, R₇, С₇ отсекает "шумовые" ВЧ составляющие, принимаемые микрофоном, и оставляет только сигналы в полосе частот до 4 кГц. Этот диапазон обеспечивает наибольшую разборчивость речевой информации. С выхода фильтра сигнал поступает на оконечный усилитель звуковой частоты, выполненный на транзисторах VT₄, VT₅ типа КТ315 и транзисторе VT₆ типа КТЗ61. Нагрузкой усилителя служит головной телефон типа ТМ-2А или ТЭМ. Резисторы в схеме используются типа МЛТ-0,125. Резистор R₃ - СПЗ-41 или другой небольших габаритов. Настройка устройства сводится к подбору сопротивлений резисторов R₁ и R₁₆ для установки напряжения в точках А и В равным половине напряжения питания.

В отличие от предыдущего устройства, собранного на дискретных элементах, предлагаемое устройство собрано на широко распространенной микросхеме типа К237УН1 и предназначено для обнаружения слабых акустических сигналов. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 4.

В схеме использован электретный микрофон типа МКЭ-333. Сигнал с микрофона М1 поступает на вход микросхемы DA1 типа К237УН1, которая представляет собой усилитель низкой частоты. Усилитель включен по типовой схеме. Транзисторы VT₁ типа КТ315 и VT₂ типа КТ361 выполняют роль эмиттерных повторителей и служат для усиления сигнала по току. В качестве нагрузки используется телефон типа ТМ-2А.

Настройка усилителя звуковой частоты заключается в получений максимальной мощности сигнала на выходе микросхемы DA1 путем измене ния сопротивления резистора R₃. Сопротивление резистора R₃ подбирают таким, чтобы при номинальном напряжении питания 9 В и отсутствии сигнала звуковой частоты на входе микросхемы DA1 потенциал на выводе 1 микросхемы DA1 находился в пределах 3,75-3,85 В. В случае неустойчивой работы усилителя, его самовозбуждения, необходимо между выходом микрофона М1 и конденсатором С₂ включить резистор сопротивлением 2-68 кOм. Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 3-9 В, потребляемый при этом ток составляет 2-6 мА. Вместо микрофона возможно подключение многовитковой катушки индуктивности. Она подключается между точками А и В схемы. Микрофон М1 и резисторы при этом отключаются. В последнем случае возможна регистрация переменных магнитных полей.

Простой направленный микрофон представляет собой набор из семи алюминиевых трубок диаметром 10 мм. Длина трубки определяет резонансную частоту звукового сигнала. Формула для расчета длины трубок имеет следующий вид:

L = 330/2F,

где L - длина трубки в метрах; F - резонансная частота в герцах. Исходя из вышеприведенной формулы, можно построить табл. 1 для микрофона из семи трубок, где N - номер трубки.

Таблица 1. Характеристики трубок направленного микрофона

N	1	2	3	4	5	6	7
L,мм	550	400	300	200	150	100	50
F,Гц	300	412	550	825	1100	1650	3300

Вариант размещения избирательной системы, составленной из направленных трубок, приведен на рис. 5.

Микрофон располагается в параболическом улавливателе, фокусом которого является направляющая система (рис. 6).

Дальнейшее усиление сигнала происходит за счет использования высокочувствительного микрофонного усилителя МУ. Этот направленный микрофон перекрывает диапазон частот от 300 Гц до 3300 Гц, т. е. основной информационный диапазон речевого сигнала.

Если необходимо получить более качественное восприятие речи, то необходимо расширить диапазон принимаемых частот. Это можно сделать путем увеличения количества резонансных трубок, например, до 37 штук. В табл. 2 приведены расчетные данные для использования в избирательной системе от 1 до 37 трубок. Приведенная в табл. 2 резонансная система перекрывает диапазон частот от 180 Гц до 8200 Гц. Вариант размещения резонансных трубок приведен на рис. 7, где трубки располагаются "улиткой".

Вместо резонансной системы можно использовать параболический рефлектор диаметром от 30 до 80 см.

Таблица 2. Расчетные данные для использования в избирательной системе от 1 до 37 трубок.

N	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
L,мм	920	895	870	845	820	792	770	745	720	695	670	645	620	595	570	545	520	495	470	445
F,Гц	180	184	190	195	201	208	214	222	229	237	246	256	266	277	290	303	317	333	351	371

N	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37
L,мм	420	395	370	345	320	295	270	245	220	195	170	145	120	95	70	45	20
F,Гц	393	418	446	478	516	560	611	674	750	846	971	1138	1375	1737	2357	3667	8250