Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

они имеют вид длинной трубки с прорезями или нескольких вложенных друг в друга длинных трубок; форма диаграммы направленности – игла; остронаправленный микрофон называется «пушкой» и имеет размеры до метра. Направленные двусторонние микрофоны имеют диаграмму направленности в виде восьмерки; они одинаково чувствительны к фронтальным и тыловым звукам и нечувствительны – к боковым; именно нечувствительность составляет их смысл; направив микрофон боком на источник сильных шумов, можно записать все остальные звуки (например, интервью).

Направленность микрофона определяется конструкцией датчика и в частности корпуса. Для превращения направленного микрофона в ненаправленный часто бывает достаточно закрыть отверстие, расположенное на корпусе сзади диафрагмы. Длина волны звука обратно пропорциональна его частоте. Поэтому большинство микрофонов, проявляющих свойство направленности на высоких частотах, теряют его и становятся ненаправленными на низких частотах. Помогает то, что низкочастотные звуковые волны с расстоянием ослабевают сильнее высокочастотных. В крайнем случае, чтобы сохранить направленность, низкие частоты должны быть отфильтрованы блоком обработки сигналов. ЗЧ микрофона должна соответствовать прослушиваемому объему. Необоснованное расширение ЗЧ приводит лишь к возрастанию уровня шумов. Контроль звуков в помещениях наиболее удобно производить с помощью ненаправленного микрофона, разместив его в центре помещения, или с помощью кардиоидного микрофона, установив его на стене.

Перед тем как перейти к анализу электрических характеристик микрофонов необходимо определить, ка-

ким образом оценивать интенсивность воздействия звука. В системе СИ для этих целей служит звуковое давление p, измеряемое в паскалях. Гораздо чаще уровень звукового давления L измеряют в децибелах относительно нулевого уровня, за который принимается порог слышимости человека, равный p0 = 2·10–5 Па. Тогда L = 20·lg(p/p0), где p – среднеквадратическое значение звукового давления. Уровни звукового давления L удобно определять, пользуясь шкалой, представленной в таблице 2.10.1. Здесь же для сравнения приведены соответствующие значения звукового давления p в паскалях и силы звука W, то есть плотности потока энергии в звуковой волне, в ваттах на квадратный метр. Уровень звука определяется через силу звука выражением L = 10·lg(W/W0), где W0 = 10–12 Вт/м2. При удалении от источника звука интенсивность звука убывает. Если расстояние от источника увеличивается в N раз, то сила звука W уменьшается в N2 раз (она обратно пропорциональна площади волны), звуковое давление p уменьшается в N раз (так как сила звука пропорциональна квадрату давления), а уровень звука L уменьшается на величину 20lgN.

С точки зрения формирования электрического сигнала для характеристики микрофонов используется пять основных показателей: чувствительность, максимальное звуковое давление, уровень собственных шумов, диапазон частот и выходное сопротивление. Каждый из них имеет самостоятельное значение при выборе микрофона из большого их множества.

Чувствительность – это отношение напряжения на выходе микрофона к вызывающему его звуковому давлению. Оно выражается в милливольтах на паскаль и обычно измеряется на частоте 1 кГц. Чаще всего чувствительность микрофона (электродинамического,

Таблица 2.10.1 Шкала уровней звукового давления

электретного или конденсаторного) находится в пределах от 0,5 до 50 мВ/Па. Для электродинамических она составляет в среднем 2…10 мВ/Па, для электретных с фантомным питанием – 10…30 мВ/Па. Это означает, что во время записи разговора или шума в магазине (0,02 Па) уровень сигнала на выходе среднего динамического микрофона (4 мВ/Па) составит 0,08 мВ. Иногда чувствительность микрофона измеряется в децибелах относительно начального уровня, за который принимается 1 В/Па. Например, чувствительности минус 60 дБ соответствует значение 1 мВ/Па, а минус 54 дБ – 2 мВ/Па.

Максимальное звуковое давление (МЗД) представляет собой тот верхний предел, который в состоянии зафиксировать без искажений данный микрофон. Оно зависит от вида и конструкции микрофона. Существуют модели, МЗД которых достигает 140 дБ, хотя обычные его значения находятся в пределах 90…100 дБ. Уровень громкости, измеряемый микрофонным СО, не превышает тех же 90…100 дБ, так что для этих целей подходит практически любой микрофон.

Уровень собственных шумов микрофона – это величина сигнала на его выходе при отсутствии какоголибо акустического воздействия. Обычно его измеряют величиной, приведенной к эквивалентному звуковому давлению, то есть характеризуют не напряжением, а значением уровня звука L в децибелах, который вызвал бы тот же уровень электрического сигнала. Перевод децибел в милливольты и обратно осуществляется через чувствительность микрофона. Уровень собственных шумов микрофонов составляет 15…30 дБ. В хорошей студии звукозаписи акустические шумы находятся на уровне 20 дБ; здесь нужен микрофон с низким уровнем собственного шума 15 дБ, чтобы его вклад в общий шум был незаметен. Если измерения проводятся в тихом помещении (например, в подвале), то понадобится малошумящий микрофон. Если звуковые шумы превышают 40…50 дБ, то модель микрофона не принципиальна. Иногда уровень собственных шумов микрофона измеряется в децибелах относительно начального уровня, за который принимается 1 Па (в этом случае число децибел – отрицательное); например, уровню шумов минус 64 дБ соответствует эквивалентный уровень звука L = 94 – 64 = 30 дБ или 0,00065 Па.

Уровень собственных шумов микрофона имеет принципиальное влияние на звукопередачу. Именно он, а не чувствительность, как может показаться на первый взгляд, определяет качество сигнала. Слабый сигнал можно усилить в необходимое число раз, зашумленный сигнал восстановлению не поддается.

Есть еще два показателя, которые являются производными от уровня собственных шумов: динамический диапазон и отношение сигнал/шум. Динамический диапазон представляет собой разность максимального звукового давления и уровня собственных шумов (в децибелах). Отношение сигнал/шум измеряется в децибелах; оно равно разности среднего уровня сигнала и уровня собственных шумов. За средний уровень сигнала часто принимается значение 94 дБ, что соответствует звуковому давлению в 1 Па.

Диапазон частот, воспроизводимых обычным вокальным микрофоном, находится в пределах от 30…50 Гц до 10…15 кГц. В этом диапазоне гарантируется определенная неравномерность частотной характеристики, чаще всего в пределах 3дБ; за его пределами наблюдается уменьшение чувствительности. Диапазон воспроизводимых частот должен соответствовать источнику звука. Речь человека, звуки шагов и шумы, производимые при его движении, укладываются в диапазон 300…3000 Гц. Расширять диапазон за эти пределы нет смысла.

Выходное сопротивление микрофона влияет на построение первого каскада усиления. Для качественного воспроизведения звука они должны быть согласованы между собой. Выходное сопротивление динамических микрофонов составляет единицы килоом, что требует применения усилителей с низкоомным входом. Электретные микрофоны всегда имеют встроенный усилитель с низким выходным сопротивлением, поэтому величина входного сопротивления усилителя не принципиальна. Конденсаторные микрофоны с фантомным питанием также не требовательны к величине входного сопротивления.

Микрофоны воспринимают весьма слабые колебания воздуха, поэтому они чувствительны и к вибрации. Их необходимо защищать от ударов, пыли, влаги. Микрофон не должен непосредственно контактировать с твердыми предметами, его следует закреплять через амортизирующую прокладку из мягкой резины, поролона или ваты.

Электрический сигнал на выходе микрофона имеет очень низкий уровень. При передаче аналогового звукового сигнала на длинные расстояния следует либо экранировать линию связи, либо проводить предварительное усиление сигнала. Если в одну линию объединяется несколько микрофонов с пересекающимися ЗЧ, их обязательно требуется проверить на синфазность. Подсоединение каждого последующего микрофона должно увеличивать громкость (или уровень сигнала). Если же происходит уменьшение громкости, значит, полярность вновь подсоединяемого микрофона противоположна остальным, и провода от него следует поменять местами.

В таблице 2.10.2 приведены данные, позволяющие сравнить электретные (Э), динамические (Д) и конденсаторные (К) микрофоны. Показана только незначительная часть из сотен производимых моделей. В таблицу вошли типичные электретные микрофоны и по нескольку выбранных наугад динамических и конденсаторных. Для использования в составе акустического пассивного СО чаще всего подходят компактные всенаправленные электретные микрофоны. Они обладают высокой чувствительностью, широким диапазоном частот, низкой стоимостью, но более высоким уровнем шумов. Обычно у электретных микрофонов два вывода. При их подсоединении следует соблюдать полярность. Отрицательный вывод подключается к минусу питания. На положительный вывод через токоограничительный резистор подается положительное напряжение питания; с этого же вывода через раздели-

налы имеют высокую информативность, они позволяют определить не только наличие посторонних людей, но также их количество и характер производимых ими действий (не говоря уже о таких интересных подробностях, как пол, национальность, образованность и воспитанность).

Основные недостатки микрофонных СО:

—низкая помехоустойчивость, без объяснений понятная каждому, имеющему уши; микрофонное СО неработоспособно на улице, оно может функционировать только в тихом помещении – подвале или убежище – или использоваться для обнаружения действий, сопровождающихся очень громкими звуками;

—трудность организации полной автоматической проверки работоспособности.

2.10.2. Датчик разбивания стекла

Почти в любом помещении имеются окна. Стекло – хрупкий материал, поэтому путь проникновения нарушителя через окно является одним из наиболее вероятных, в особенности на первом этаже. Этот факт определяет необходимость установки датчиков охраны окон вообще и широкое распространение акустических пассивных датчиков разбивания стекла в частности. Подобные датчики называются также датчиками разбития стекла, датчиками битого стекла, акустическими извещателями, электроакустическими датчиками разрушения стекла, извещателями охранными поверхностными звуковыми или акустическими извещателями разрушения стекла. Последнее название следует признать самым точным, но более всего распространено словосочетание датчик разбивания стекла (ДРС).

Принцип действия ДРС основан на обнаружении звуков разбивания стекла. Они громче, чем речь или шум шагов, а по спектральному составу отличаются от большинства бытовых звуков. Поэтому помехоустойчивость ДРС выше, чем у микрофонных СО. ДРС относится к внутренним СО и не приспособлен для работы на улице, но только по той причине, что в лесу нет окон. Он имеет узкую область применения и является пассивным. Состав ДРС аналогичен составу микрофонного СО; это – микрофон и электронный БО.

Звуки разбивания стекла различны. Их многообразие связано с тем, что в окнах используются разные типы стекол и рам, сами же стекла имеют разные размеры и крепятся по-разному; кроме того, разрушения отличаются друг от друга по способу и по степени. Распространяясь от места разрушения, звуковая волна отражается от стен и окружающих предметов, и также меняет свой вид. Наибольшее влияние на характер сигнала оказывает тип стекла. Обычно в окнах используется пять его типов (табл. 2.10.3). Различные стекла отличаются по толщине почти в десять раз. Узорчатое стекло не имеет постоянной толщины, в отдельных местах оно толще, в других – тоньше. Любое стекло может быть дополнительно покрыто солнцезащитной полупрозрачной пленкой. В последнее время все более

широко распространены герметизированные стеклопакеты. Все это осложняет обнаружение факта разбивания стекла по акустическому сигналу. Тем не менее, оно обладает рядом общих признаков, делающих его распознавание возможным.

Таблица 2.10.3 Основные типы и параметры оконных стекол

Проведем эксперимент, на выполнение которого потребуется не более часа. Возьмем несколько кусков стекла различной толщины. Подсоединим электретный микрофон к звуковой плате компьютера и запишем звуки разбивания стекла. Затем проведем анализ записанных сигналов программой звукового редактора, например, Nero Wave Editor. Программа отображает на экране монитора зависимость амплитуды колебаний от времени. Из нее видно, что акустический сигнал разбивания стекла состоит из двух фаз. Первая представляет собой ударную волну от резко прогибающегося, но еще не разрушенного стекла (наподобие сигнала барометрического СО, п. 2.9). Она имеет вид однополярного скачка увеличения давления (в диапазоне частот до нескольких сотен герц). Вторая фаза – собственно звук разбивания стекла в виде периодического затухающего колебания. Максимум в спектре частот (высота звука) второй фазы лежит в диапазоне 4…8 кГц. Обычное тонкое листовое стекло дает основной тон на частоте 4…5 кГц; при увеличении толщины стекла частота звука возрастает. Интервал между фазами в среднем составляет 0,1 с, не превышая максимального значения 0,15 с.

Высокую помехоустойчивость и отсутствие ложных срабатываний обеспечивает использование обоих информативных признаков разбивания стекла, соответствующих акустической волне первой и второй фазы. Подобные алгоритмы носят название двухканальных, двухполосных или двухпороговых. Алгоритмы, использующие только один из признаков (ударную волну или высокочастотный звук), обладают меньшей помехоустойчивостью. Они называются однополосными или однопороговыми. Блок-схема двухполосного алгоритма состоит из микрофона М, усилителя У, фильтра нижних частот ФНЧ с частотой среза 0,2…0,5 кГц, полосового фильтра ПФ, двух компараторов К1 и К2, детектора огибающей ДО, расширителя импульса РИ, производящего задержку спада на 0,15 с, схемы совпадения И и реле тревоги РТ (рис. 2.10.3). Изменение полосы ПФ в пределах 4…8 кГц позволяет настроить СО на обнаружение разбивания стекла определенной толщины.

Рис. 2.10.3 Датчик разбивания стекла