Микрофон для высококачественного звукоприема

 

Использование: электроакустика. Сущность изобретения: микрофон содержит приемники звукового давления 1, 2, 3, первый и второй блоки вычитания 4, 5, первый и второй фильтры низких частот 6, 7 и сумматор 8. 2 ил.

Изобретение относится к области электроакустики и предназначено для высококачественного звукоприема в аппаратуре записи и воспроизведения звука.

Известен микрофон с управляемой характеристикой направленности по патенту ФРГ N3102208, кл. H04R 1/40, 3/00, 1983, включающий два приемника градиента давления первого порядка, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Регулировка характеристики направленности осуществляется путем управления фазовыми соотношениями сигналов от обоих элементов.

Недостатком данного микрофона является его техническая сложность и невоспроизводимость характеристик при серийном изготовлении.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является микрофон по а.с. N1695527, кл. H04R 1/20, 1991, содержащий приемник звукового давления, приемник градиента давления и сумматор, к двум входам которого подсоединены выходы приемников давления и градиента давления, а выход является выходом микрофона.

Для повышения стабильности диаграммы направленности связь между приемником градиента давления и сумматором выполнена через введенный регулируемый блок компенсации, коэффициент передачи которого зависит от расстояния между микрофоном и источником звука и частоты.

Недостатком этого микрофона является то, что стабилизация его характеристики направленности осуществляется в узком диапазоне частот, соответствующем малым значениям R/λ, где R расстояние между источником и микрофоном, l длина волны рассматриваемого звука, то есть в ближнем поле источника и при низких частотах. Это следует из того, что заданный автором закон изменения коэффициента передачи введенного блока компенсации только для малых (значительно меньших единицы) значений.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении качества звукозаписи в профессиональной аппаратуре записи-воспроизведения звука.

Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в получении избирательной и независимой от частоты в широком диапазоне частот (20 2000 Гц) диаграммы направленности устройства вида "восьмерка"). Отмеченный выше технический эффект достигается за счет того, что в микрофон, содержащий первый приемник давления, приемник градиента давления и сумматор, выход которого является выходом микрофонов, введены два фильтра низких частот и первый блок вычитания, а приемник градиента звукового давления выполнен в виде второго и третьего приемников звукового давления, выходы которых подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам второго блока вычисления, причем выход первого приемника звукового давления подключен к инвертирующему входу первого блока вычитания, неинвертирующий вход которого связан с выходом третьего приемника звукового давления, выход соединен с первым входом сумматора через фильтр низких частот, при этом выход второго блока вычитания подключен к второму входу сумматора через второй фильтр низких частот.

Изобретение поясняется фиг. 1, 2.

Микрофон (фиг. 1) содержит приемники давления 1, 2, 3, первый и второй блоки вычитания 4, 5, первый и второй фильтры низких частот 6, 7 и сумматор 8.

При падении плоского фронта звуковой волны на микрофон, состоящий из трех ненаправленных приемников давления, расположенных на одной линии (см. фиг. 1), волна достигает всех трех приемников одновременно только в том случае, если волна распространяется в направлении, перпендикулярном прямой линии, соединяющей эти три приемника давления.

Если направление распространения звуковой волны (т.е. вектор, перпендикулярный фронту) отличается от перпендикулярного на произвольный угол ϕ_в, то фазы сигналов, принимаемых тремя приемниками давления, в каждый момент времени не совпадают, что обусловлено возникновением разностей хода звуковых волн величиной Δ₃₂= d₃₂sin ϕ_В между 3 и 2 приемниками и величиной Δ₃₁= d₃₁sin ϕ_В между 3 и 1 приемниками давления.

Примем в качестве математической модели принимаемого звукового сигнала S_пр(t) S(t)cosX(t), т. е. колебание, модулированное по амплитуде функций S(t), а по фазе функцией X(t).

Тогда сигналы на выходах приемников давления могут быть записаны следующим образом: -на выходе третьего S₃(t) S(t)cosX(t) на выходе второго s₂(t) = S(t)cos[x(t)+ϕ₃₂] на выходе первого s₁(t) = S(t)cos[x(t)+ϕ₃₁]
где ϕ₃₂ угол сдвига фаз между вторым и третьим приемниками давления, обусловленный разностью хода звуковой волны
,
где λ(t) мгновенная длина волны принимаемого сигнала,
ω(t) мгновенная круговая частота принимаемого сигнала.

Аналогично

Сигнал на выходе второго блока вычитания
,
где K_в2 коэффициент передачи второго вычитателя.

При малых углах ϕ₃₂ синус примерно равен аргументу в радианах. Например, при углах меньше 21^o различие функции синус и ее аргумента меньше 2%
При малых углах ϕ₃₂ сигнал на выходе второго вычитателя

В последнем выражении очевидна прямая зависимость результата от частоты. Аналогично, сигнал на выходе первого блока вычитания

а при малых

Для устранения нежелательной зависимости от частоты результатов вычитания и одновременно для разделения диапазонов частот, в которых формируются полезные сигналы, на выходе каждого вычислителя включен фильтр первого порядка, коэффициенты передачи которых убывают в рабочих диапазонах частот пропорционально увеличению частоты.

Таким образом, сигналы на выходе блоков вычитания могут быть записаны следующим образом:


Из вышеизложенного очевидно, что для нормальной работы должны выполняться следующие условия
, а
,
таким образом
,

Сигнал на выходе сумматора
S_c S_B1+S_B2.

Как известно,

аналогично

Группируя слагаемые, получим

Пусть

тогда

На этом основании сигнал на выходе сумматора можно записать следующим образом:
s_с= AS(t) sin ϕ_вsin [x(t)+ϕ_с]
Расчетным путем при заранее заданной погрешности линейности амплитудно-частотной характеристики заявляемого микрофона, в последнем выражении это множитель A, могут быть определены следующие технологические параметры: d₃₁, d₃₂, K_ф1K_B1, K_ф2K_B2 и граничные частоты фильтров.

Формула изобретения

Микрофон для высококачественного звукоприема, содержащий первый приемник звукового давления, приемник градиента звукового давления и сумматор, выход которого является выходом микрофона, отличающийся тем, что в него введены два фильтра низких частот и первый блок вычитания, а приемник градиента звукового давления выполнен в виде второго и третьего приемников звукового давления, выходы которых подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам второго блока вычитания, причем выход первого приемника звукового давления подключен к инвертирующему входу первого блока вычитания, неинвертирующий вход которого связан с выходом третьего приемника звукового давления, а выход соединен с первым входом сумматора через первый фильтр низких частот, при этом выход второго блока вычитания подключен к второму входу сумматора через второй фильтр низких частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2