RU2643690C2

RU2643690C2 - Method for correcting axis direction of reflective sonic receiver to visualally difficultly observed or undisclosed sound sources

Info

Publication number: RU2643690C2
Application number: RU2016106083A
Authority: RU
Inventors: Александр Юрьевич Качалов; Ювеналий Александрович Крутяков; Виктор Павлович Неустроев; Виктор Иванович Янков
Priority date: 2016-02-20
Filing date: 2016-02-20
Publication date: 2018-02-05
Also published as: RU2016106083A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method for correcting the axis direction of the reflective sonic receiver includes the operation of receiving a sound by a parabolic reflector in the focus of which a directional microphone is placed. To the rim of the reflector with a diameter D_ref the rod is rigidly attached, on which two additional microphones are symmetrically installed, the distance between which is changed in accordance with the inequality L₁<D_ref<L₂, the output signals from these microphones are connected to the inputs of the summing amplifier through the resonant filters the resonant frequencies of which correspond to the inequality F₁>F_res>F₂. The output signal of the summing amplifier via a threshold device served by the registrar on which the maximum value of the signal is fixed is switched on the sound reception of the microphone placed in the focus of the reflector, and the output signal from the microphone connected through the filter with a bandwidth of 60 Hz to the amplifier, the output of which serves to the receiver. The directional diagram of additional microphones has a maximum in the forward direction of the reflector, and the microphone in focus - in the opposite direction.

EFFECT: increasing the microphone reception level by at least 6 dB.

6 dwg, 1 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к области электроакустики, звукоэлектрических преобразователей и датчиков.The present invention relates to the field of electroacoustics, sound transducers and sensors.

Уровень техникиState of the art

Предлагается способ корректировки направления оси отражательных приемников звуковых волн на визуально труднонаблюдаемый (или не наблюдаемый) источник звука. К таким случаям следует отнести негласное наблюдение, выявление живых голосов в развалах домов при природных или техногенных катаклизмах, поиск заблудившихся в лесах и горах людей, а также в других случаях при исследовании физических явлений и процессов природы при большой удаленности микрофона от объекта наблюдения.A method is proposed for adjusting the direction of the axis of reflective sound wave receivers to a visually difficult to observe (or not observable) sound source. Such cases include tacit observation, the identification of live voices in the ruins of houses during natural or man-made disasters, the search for people lost in forests and mountains, as well as in other cases when studying physical phenomena and natural processes with a great distance of the microphone from the object of observation.

Из научной и технической литературы известны отражательные остронаправленные приемники звука (ОНПЗ) с использованием параболических отражателей звука с микрофоном в фокусе ([1] - Зайцев А.П., Шелупанов А.А., Мещеряков Р.В. и др. «Технические средства и методы защиты информации»; [2] - Ш.Я. Вахитов, Ю.А. Ковалгин, К.Е. Абакумов и др. «Акустика»; [3] - А.А. Хорев «Средства акустической разведки: направленные микрофоны и лазерные акустические системы разведки»). Такие приемники при строгом наведении оси отражателя на источник звука можно считать идеальными, т.е. подчиняющимися законам оптики. Однако при малом уровне полезного сигнала и высоком уровне акустических помех от источников, расположенных в произвольных направлениях, навести приемник звука на цель, особенно в условиях визуальной недоступности источника полезного сигнала не представляется возможным.From the scientific and technical literature known highly directional sound receivers (ONPZ) using parabolic sound reflectors with a microphone in focus ([1] - Zaitsev AP, Shelupanov AA, Meshcheryakov RV and others. "Technical means and methods of information protection ”; [2] - Sh. Ya. Vakhitov, Yu.A. Kovalgin, KE Abakumov and others“ Acoustics ”; [3] - A.A. Khorev“ Acoustic reconnaissance equipment: directional microphones and laser acoustic reconnaissance systems ”). Such receivers with strict pointing of the axis of the reflector to the sound source can be considered ideal, i.e. obeying the laws of optics. However, with a low level of the useful signal and a high level of acoustic noise from sources located in arbitrary directions, it is not possible to direct the sound receiver to the target, especially in conditions of visual inaccessibility of the source of the useful signal.

При строгом наведении оси приемника на звуковую цель ось приемника нормальна к фронту звуковой волны цели и угол между осью и нормалью α=0. В этом случае вся звуковая мощность, попавшая на площадь отражателя диаметром D_отр, оказывается сосредоточена в фокусе отражателя, куда и помещают приемный микрофон. При α≠0 отраженные звуковые волны образуют фокусную область и, как будет показано далее, диаметр такой области приближается к 5 см, например, при D_отр=0,5 м и α=10°. Если α≈30°, то диаметр фокусной области ~23 см при том же D_отр (см. фиг. 3). Звуковая мощность, действующая на мембрану микрофона, размещенного в фокусе параболического зеркала диаметром D_отр=0,5 м, естественно будет определяться соотношением площади приемной части микрофона к площади расфокусированной зоны отражателя, а также будет зависеть от коэффициента усиления фокусирующей поверхности. Таким образом, слабым местом приемников звука отражательного типа является сложность или невозможность точного наведения приемника на звуковую цель без визуального контакта, что является общим недостатком остронаправленных приемников. В качестве прототипа предлагаемого способа может быть принят параболический микрофон «СУПЕР УХО-100», описанный в [1] и [3], недостатками которого являются низкая чувствительность в условиях интенсивных шумов и исключительно визуальная юстировка на источник полезного сигнала.With a strict pointing of the axis of the receiver to the sound target, the axis of the receiver is normal to the front of the sound wave of the target and the angle between the axis and the normal is α = 0. In this case, all the sound power that has fallen on the area of the reflector with a diameter D _Otr is concentrated at the focus of the reflector, where the receiving microphone is placed. At α ≠ 0, the reflected sound waves form a focal region and, as will be shown below, the diameter of such a region approaches 5 cm, for example, at D _sp = 0.5 m and α = 10 °. If α≈30 °, then the diameter of the focal region is ~ 23 cm for the same D _sp (see Fig. 3). The sound power acting on the membrane of a microphone located at the focus of a parabolic mirror with a diameter of D _Ot = 0.5 m will naturally be determined by the ratio of the area of the microphone receiving part to the area of the defocused reflector zone and will also depend on the gain of the focusing surface. Thus, the weak point of reflective-type sound receivers is the difficulty or inability to accurately point the receiver at an audio target without visual contact, which is a common disadvantage of pointed receivers. As a prototype of the proposed method can be adopted parabolic microphone "SUPER UHO-100" described in [1] and [3], the disadvantages of which are low sensitivity in conditions of intense noise and only visual adjustment to the source of the useful signal.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью предложенного способа является устранение отмеченных недостатков прототипа при регистрации звуковых сигналов от источников звука визуально труднонаблюдаемых или ненаблюдаемых при высокой пространственной избирательности звукового приема. Техническим решением такого способа регистрации звука является обеспечение узконаправленного приема отражательного приемника звука в пределах заданного пространственного угла при отклонении оси приемника от источника звука на регулируемый угол 10°÷20° с помощью дополнительных микрофонов, расположенных во фронтальной плоскости отражателя.The aim of the proposed method is to eliminate the noted disadvantages of the prototype when registering audio signals from sound sources that are visually difficult to observe or unobservable with high spatial selectivity of sound reception. The technical solution of this method of recording sound is to provide narrowly targeted reception of a reflective sound receiver within a given spatial angle when the axis of the receiver deviates from the sound source by an adjustable angle of 10 ° ÷ 20 ° using additional microphones located in the frontal plane of the reflector.

Способ корректировки направления оси отражательного приемника звуковых волн на визуально труднонаблюдаемые или ненаблюдаемые источники звука включает в себя операции коррекции направления устройства на источник звука при помощи дополнительных микрофонов и фокусирования принимаемого звука с помощью параболического отражателя, в фокусе которого помещают направленный микрофон. Согласно предложению к ободу параболического отражателя диаметром D_отр или к ручке приемника жестко крепят штангу, на которой устанавливают симметрично относительно фокуса отражателя два дополнительных направленных микрофона, расстояние между которыми изменяют в соответствии с неравенством L₁<D_отр<L₂, выходные сигналы с этих микрофонов подключают к входам суммирующего усилителя через одинаковые резонансные фильтры, резонансные частоты которых соответствуют неравенству F₁>F_рез>F₂ и связаны с указанными расстояниями выражением:The method of correcting the direction of the axis of the reflective receiver of sound waves to visually difficult to observe or unobservable sound sources includes the operation of correcting the direction of the device to the sound source using additional microphones and focusing the received sound using a parabolic reflector, in the focus of which a directional microphone is placed. According to the proposal, a rod is rigidly fixed to the rim of the parabolic reflector with a diameter of D _OT or to the handle of the receiver, on which two additional directional microphones are installed symmetrically with respect to the focus of the reflector, the distance between which is changed in accordance with the inequality L ₁ <D _OT <L ₂ , the output signals from these microphones are connected to the inputs of the summing amplifier through the same resonant filters, the resonant frequencies of which correspond to the inequality F ₁ > F _res > F ₂ and are associated with the indicated distances by the expression:

причем F_рез соответствует расстоянию D_отр, F₁ - расстоянию L₁, F₂ - расстоянию L₂, а ширина полосы пропускания фильтра не более ±30 Гц от F_рез, F₁ или F₂, при этом выходной сигнал суммирующего усилителя через регулируемое пороговое устройство подается на индикатор-регистратор, на котором фиксируют максимальное значение выходного сигнала, после чего включают на прием звука микрофон, размещенный в фокусе отражателя, а выходной сигнал с этого микрофона подключают через фильтр с полосой пропускания 60 Гц (т.е. F_n±30 Гц) к усилителю, выходной сигнал которого подается на приемник для прослушивания, обработки и дальнейшей его записи, при этом диаграмма направленности дополнительных микрофонов имеет максимум в прямом направлении отражателя, микрофона в фокусе - развернута в диаметрально противоположном направлении, а условная прямая, соединяющая дополнительные микрофоны, параллельна горизонту, где С_зв - скорость звука в воздухе, D_отр - диаметр отражателя, α - угол между осью отражателя и нормалью к фронту звуковой волны.moreover, F _res corresponds to the distance D _Otr , F ₁ to the distance L ₁ , F ₂ to the distance L ₂ , and the filter bandwidth is not more than ± 30 Hz from F _res , F ₁ or F ₂ , while the output signal of the summing amplifier through an adjustable the threshold device is fed to the indicator-recorder, on which the maximum value of the output signal is recorded, then the microphone located at the focus of the reflector is turned on to receive sound, and the output signal from this microphone is connected through a filter with a passband of 60 Hz (i.e., F _n ± 30 Hz) to amplifier, output signal otorrhea supplied to the receiver to listen to, processing and further its recording, the directivity pattern of the additional microphone has a maximum in the forward direction of the reflector, a microphone in focus - is deployed in a diametrically opposite direction, and notional line connecting additional microphones, parallel to the horizon, where the _C-star is the speed of sound in air, D _neg is the diameter of the reflector, α is the angle between the axis of the reflector and the normal to the front of the sound wave.

Перечень фигурList of figures

Пояснение работы предложенного способа иллюстрируется следующими схемами:An explanation of the operation of the proposed method is illustrated by the following schemes:

Фиг. 1 - условное изображение размещения дополнительных микрофонов на отражателе, где 1 - центральный (основной) приемный микрофон, 2 - дополнительные микрофоны, размещенные на штангах, жестко закрепленных на ободе 3 отражателя 4, 5 - ось симметрии отражателя 4, Δ - расстояние от фокуса F до отражающей поверхности параболического отражателя 4, 6 - фронт звуковой волны.FIG. 1 - conditional image of the placement of additional microphones on the reflector, where 1 is the central (main) receiving microphone, 2 - additional microphones placed on the rods, rigidly mounted on the rim 3 of the reflector 4, 5 - axis of symmetry of the reflector 4, Δ - distance from the focus F to the reflective surface of the parabolic reflector 4, 6 is the front of the sound wave.

Фиг. 2 - условная схема подключения выходных сигналов дополнительных микрофонов 2, где 7 - узкополосные резонансные фильтры, 8 - переключатель фильтров; 9 - суммирующий усилитель; 10 - пороговое устройство; 11 - индикатор - регистратор.FIG. 2 - conditional connection diagram of the output signals of additional microphones 2, where 7 - narrow-band resonant filters, 8 - filter switch; 9 - summing amplifier; 10 - threshold device; 11 - indicator - recorder.

Фиг. 3 - ход звуковых лучей отраженных от поверхности зеркала, где MN - граница фокусной области при α=10°; ОР - граница фокусной области при α=30°.FIG. 3 - the course of sound rays reflected from the surface of the mirror, where MN is the boundary of the focal region at α = 10 °; RR is the boundary of the focal region at α = 30 °.

Фиг. 4 - Условная схема цепи выходного сигнал микрофона 2, расположенного в фокусе отражателя, где 12 - широкополосный фильтр на диапазон частот от F_min до F_max, 13 - усилитель, 14 - выходные гнезда звукового сигнала, П₂ - выключатель центрального микрофона.FIG. 4 - Conditional circuit of the output signal of the microphone 2 located in the focus of the reflector, where 12 is a broadband filter for the frequency range from F _min to F _max , 13 is an amplifier, 14 are the output jacks of the audio signal, P ₂ is the central microphone switch.

Фиг.5 - чертеж приемника с отражателем 4, в фокусе которого размещен микрофон 1 с двумя дополнительными микрофонами 2, закрепленными на ободе 3. Расстояние между периферическими микрофонами 2 изменяется от L_min=0,14 M до L_max=0,86 м с помощью раздвижных штанг.5 is a drawing of a receiver with a reflector 4, in the focus of which is placed a microphone 1 with two additional microphones 2 mounted on the rim 3. The distance between the peripheral microphones 2 varies from L _min = 0.14 M to L _max = 0.86 ms using sliding rods.

Фиг. 6 - Типовая характеристика направленности микрофона МД-82А-5М.FIG. 6 - Typical microphone directivity MD-82A-5M.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

В работе [4] (B.C. Алешин, Ю.А. Крутяков, М.Д. Венедиктов, А.Ю. Качалов. Патент РФ «Способ остронаправленного приема звуковых волн (RU 2538031)» от 10.01.2015, патентообладатель ФГОБУ ВПО МТУСИ (RU)) показано, что остронаправленный прием звуковых волн двумя микрофонами, размещенными на жесткой штанге, формирует фазовую (временную) задержку Δt_зад при расстоянии между микрофонами L и угле α≠0, равную:In the work [4] (BC Aleshin, Yu.A. Krutyakov, M.D. Venediktov, A.Yu. Kachalov. RF Patent “Method for Acoustic Directional Acoustic Wave Reception (RU 2538031)” dated January 10, 2015, patent holder FGBOU VPO MTUCI ( RU)) it is shown that the sharply directed reception of sound waves by two microphones placed on a rigid rod forms a phase (time) delay Δt _ass at the distance between the microphones L and the angle α ≠ 0 equal to:

В качестве достоинства указанного устройства ОНПЗ с двумя микрофонами в работах [4] и [5] (М.Д. Венедиктов и др. Патент РФ «Способ остронаправленного приема звуковых волн (RU 2494570)» от 27.09.2013 г., патентообладатель ФГОБУ ВПО МТУСИ (RU)) отмечено уменьшение его размеров в 3 и более раз по сравнению, например, с трубчатыми приемниками [1, 3]. Это достоинство побудило авторов использовать такие приемники звука в качестве корректоров направленности отражательного приемника звука.As a merit of the said ONPZ device with two microphones in [4] and [5] (MD Venediktov et al. RF Patent “Method for Acoustic Directional Acoustic Wave Reception (RU 2494570)” dated 09/27/2013, patent holder FGBOU VPO MTUCI (RU)) a decrease in its size by 3 or more times compared with, for example, tubular receivers [1, 3]. This advantage prompted the authors to use such sound receivers as directional correctors for the reflective sound receiver.

На фиг. 1 представлен предлагаемый отражательный приемник с дополнительными микрофонами 2, расположенными на жестких штангах, закрепленных на ободе 3 отражателя 4 с осью 5. Фокус F параболического отражателя расположен на расстоянии Δ от внутренней поверхности зеркала (фиг. 5). Положение фронта звуковой волны 6 образует с плоскостью отражателя угол α, как показано на фиг. 1. В образованном треугольнике ABC сторона АВ соответствует линейной задержке звукового фронта, воздействующего на микрофоны 2. На фиг. 1 показан возможный пример изменения расположения микрофонов 2 на штангах с расстояниями между ними L₁>D_отр>L₂. В выражении (2) произведение Δt_зад⋅С_зв имеет линейную размерность, и если принять Δt_зад⋅С_зв=0,5⋅λ_зв (λ_зв - длина волны звука), то при сложении выходных сигналов с микрофонов в суммирующем усилителе произойдет полная амплитудная компенсация этих сигналов. Это условие может быть записано в виде:In FIG. 1 shows the proposed reflective receiver with additional microphones 2 located on rigid rods mounted on the rim 3 of the reflector 4 with the axis 5. The focus F of the parabolic reflector is located at a distance Δ from the inner surface of the mirror (Fig. 5). The position of the front of the sound wave 6 forms an angle α with the plane of the reflector, as shown in FIG. 1. In the triangle ABC formed, side AB corresponds to the linear delay of the sound front acting on the microphones 2. In FIG. 1 shows a possible example of changing the arrangement of microphones 2 on the rods with distances between them L ₁ > D _neg > L ₂ . In expression (2), the product Δt _ass ⋅C _sv has a linear dimension, and if we take Δt _ass ⋅C _sv = 0.5⋅λ _sv (λ _sv is the sound wavelength), then when the output signals from the microphones in the summing amplifier are added, full amplitude compensation of these signals. This condition can be written as:

откуда

where from

Обращаясь к фиг. 1 и выражению (1), возможно определить частоту F_зв при известных габаритных размерах D_отр приемника и заданном критическом угле приема α. Если требование к частоте F_зв жесткое, то по нему следует определять телесный угол α, в котором можно обнаружить источник звука.Turning to FIG. 1 and expression (1), it is possible to determine the frequency F _sv with known overall dimensions D _Otr receiver and a given critical reception angle α. If the requirement for the frequency F _{sv is} strict, then it should be used to determine the solid angle α at which the sound source can be detected.

При изменении расстояния между дополнительными микрофонами 2 в соответствии с предложенным неравенством L₁>D_отр>L₂ выражение (1) требует, чтобы изменялась и частота F. Таким образом расстоянию D_отр будет соответствовать частота F_peз, расстоянию L₁ - частота F₁, а расстоянию L₂ - частота F₂. При этом частоты будут находиться в неравенстве F₁<F_peз<F₂ в порядке, обратном неравенству расстояний. Расчетные значения частот F₁, F₂ и F_peз необходимы для установления резонансных частот фильтров, через которые дополнительные микрофоны подключают к входам суммирующего операционного усилителя.When changing the distance between the additional microphones 2 in accordance with the proposed inequality L ₁ > D _neg > L _2, expression (1) requires that the frequency F also change. Thus, the distance D _neg will correspond to the frequency F _pez , the distance L ₁ to the frequency F ₁ and the distance L ₂ is the frequency F ₂ . In this case, the frequencies will be in the inequality F ₁ <F _pez <F ₂ in the reverse order of the distance inequality. The calculated values of the frequencies F ₁ , F ₂ and F _{pez are} necessary to establish the resonant frequencies of the filters through which additional microphones are connected to the inputs of the summing operational amplifier.

Авторы также использовали известное условие восприятия формант, описанное в работах [6] (М.А. Сапожков. Расчет разборчивости речи для систем звукоусиления в помещениях. МЭИ, 1974 г. ) и [7] (М.А. Сапожков. Речевой сигнал в кибернетике и связи. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1963. - 452 с.), которое заключается в следующем: если даже самые минимальные по величине уровни формант в некоей узкой полосе частот (в нашем случае F_зв±30 Гц) будут выше уровня шума в этой полосе, то в соответствии со свойствами слуха все форманты в этой полосе частот будут восприниматься слухом. Допустим, что формантная разборчивость в этой полосе равна таковой в каждой из 20 полос равной разборчивости, тогда вероятность правильного восприятия формант в ней будет равна 0,05 или 5%, чего достаточно для применения в заданных условиях, когда полоса искомого сигнала умышленно принимается более узкой для поиска направления источника сигнала. При этом ставится дополнительное условие, что уровень шума в направлении поиска (прямое направление) должен быть меньше уровня полезного сигнала. Таким образом, при доминировании в некоем направлении определенного звукового сигнала, этот сигнал всегда будет интерпретирован как условно «полезный» при отсутствии фазовых задержек с разных микрофонов.The authors also used the well-known condition for the perception of formants described in [6] (MA Sapozhkov. Calculation of speech intelligibility for indoor audio amplification systems. MPEI, 1974) and [7] (MA Sapozhkov. Voice signal in cybernetics and communications. - M .: State Publishing House of Literature on Communications and Radio, 1963. - 452 pp.), which consists in the following: if even the smallest levels of formants in a certain narrow frequency band (in our case F _sound ± 30 Hz) will be higher than the noise level in this band, then in accordance with the hearing properties all formants S in this frequency band will be perceived by hearing. Suppose that the formant intelligibility in this band is equal to that in each of the 20 bands of equal intelligibility, then the probability of the correct perception of the formants in it will be 0.05 or 5%, which is enough for use under given conditions when the band of the desired signal is intentionally taken narrower to search for the direction of the signal source. In this case, an additional condition is put that the noise level in the search direction (forward direction) should be less than the level of the useful signal. Thus, if a certain sound signal dominates in a certain direction, this signal will always be interpreted as conditionally “useful” in the absence of phase delays from different microphones.

Уровня разборчивости в 5% при ненаблюдаемом источнике звука, по нашему мнению, вполне достаточно для определения наличия речевой (или иной) информации в определенном телесном угле. Дальнейшее усиление полного речевого сигнала (в полосе приема 300÷4500 Гц) производится с помощью отражательного рефлектора и центрального микрофона.The intelligibility level of 5% with an unobservable sound source, in our opinion, is quite sufficient to determine the presence of speech (or other) information in a certain solid angle. Further amplification of the full speech signal (in the reception band 300 ÷ 4500 Hz) is carried out using a reflective reflector and a central microphone.

Анализ предложенного способа корректировки направленности отражательного приемника может быть выполнен, если задать габаритный размер отражателя D_отр=0,5 м и угол полной компенсации сдвинутых по фазе сигналов, например, α_кр≈35°. В этом случае центральная частота F_peз равна 592 Гц, что хорошо согласуется, например, с низкочастотной критической полоской слуха человека ([8] - А.П. Ефимов, А.В. Никонов, М.А. Сапожков, В.И. Шоров. Справочник «Акустика». - М.: Радио и связь, 1989 г. - 336 с. с ил., см. формантное восприятие).Analysis of the proposed method for adjusting the directivity of the reflective receiver can be performed if you set the overall size of the reflector D _OTR = 0.5 m and the angle of full compensation of phase-shifted signals, for example, α _cr ≈35 °. In this case, the central frequency F _pez is 592 Hz, which is in good agreement, for example, with the low-frequency critical hearing band of a person ([8] - A. P. Efimov, A. V. Nikonov, M. A. Sapozhkov, V. I. Shorov. Reference “Acoustics.” - M.: Radio and Communications, 1989 - 336 pp. With ill., See formant perception).

Известно, что сумма двух периодических функций с одинаковой частотой и амплитудой, но разными фазами, будет также периодическая функция. Если принять одну из фаз за 0, выражение для суммарной синусоидальной амплитуды будет иметь вид:It is known that the sum of two periodic functions with the same frequency and amplitude, but with different phases, will also be a periodic function. If we take one of the phases as 0, the expression for the total sinusoidal amplitude will have the form:

где ϕ - разность фаз двух одинаковых гармонических сигналов по отношению друг к другу.where ϕ is the phase difference of two identical harmonic signals with respect to each other.

Так как на пару микрофонов 1 могут поступать звуковые сигналы с разными фазовыми сдвигами ϕ в пределах от 0 до 180°, в нашем случае необходимо настроить (отъюстировать) поворот приемной антенны 4 в пределах угла ± α_кр, при котором значение суммарной амплитуды |А_Σ| на частоте F_peз становится равным нулю (главный лепесток ДН). В таблице 1 приведены расчетные значения выходной амплитуды |A_Σ| на выходе суммирующего усилителя при условии, что узкополосность резонансных фильтров, через которые выходные сигналы микрофонов попадают на усилитель, имеет ширину резонансной кривой фильтров F_peз±30 Гц. В случае если F_peз=592 Гц, ширина полосы пропускания фильтров составляет 60 Гц (т.е. F₁=562 Гц, a F₂=622 Гц).Since a pair of microphones 1 can receive sound signals with different phase shifts ϕ ranging from 0 to 180 °, in our case it is necessary to adjust (adjust) the rotation of the receiving antenna 4 within the angle ± α _cr , at which the value of the total amplitude | А _Σ | at a frequency F _pez becomes equal to zero (the main lobe of the beam). Table 1 shows the calculated values of the output amplitude | A _Σ | at the output of the summing amplifier, provided that the narrow-band resonance filters through which the microphone output signals enter the amplifier has a filter resonance curve width F _pez ± 30 Hz. If F _pez = 592 Hz, the filter bandwidth is 60 Hz (i.e., F ₁ = 562 Hz, a F ₂ = 622 Hz).

Анализ амплитудных значений |А_Σ| в табл. 1 показывает, что введение амплитудного порога, равного 1,5÷1,7, обеспечивает телесный угол при регистрации звуковых сигналов в полосе частот 562÷622 Гц, не превышающий 20° (±10° относительно оси). Для того чтобы возможные сигналы в этой полосе частот при их поступлении с углов ±(60°÷90°) не фиксировались предлагаемой парой дополнительных микрофонов, эти микрофоны должны быть однонаправленными и иметь ослабление чувствительности при угле поворота более 60° относительно оси не менее 4,6 дБ.Analysis of the amplitude values | A _Σ | in table 1 shows that the introduction of an amplitude threshold equal to 1.5 ÷ 1.7 provides a solid angle when recording sound signals in the frequency band 562 ÷ 622 Hz, not exceeding 20 ° (± 10 ° relative to the axis). In order that possible signals in this frequency band when they arrive from angles ± (60 ° ÷ 90 °) are not fixed by the proposed pair of additional microphones, these microphones should be unidirectional and have a weakening sensitivity when the angle of rotation is more than 60 ° relative to the axis of at least 4, 6 dB

Необходимо также отметить, что ширина полосы пропускания фильтра, как следует из таблицы 1, при переходе на частоты F₁ и F₂ должно соответствовать следующему условию: крайние частоты, которые пропускаются фильтром, определяются фиксированным значением ±30 Гц от F_peз. Например, на резонансной частоте 850 Гц крайние частоты пропускания фильтра будут 820 и 880 Гц. Таким образом, табличные значения суммарной амплитуды |А_Σ| могут быть использованы аналогично для любых произвольно заданных резонансных частот.It should also be noted that the filter bandwidth, as follows from Table 1, when switching to frequencies F ₁ and F _2, must meet the following condition: the extreme frequencies that are passed by the filter are determined by a fixed value of ± 30 Hz from F _pez . For example, at a resonant frequency of 850 Hz, the extreme filter frequencies will be 820 and 880 Hz. Thus, the tabulated values of the total amplitude | A _Σ | can be used similarly for any arbitrarily given resonant frequencies.

Именно этим объясняется предложение авторов использовать в качестве дополнительных микрофонов суперкардиоидные однонаправленные капсюли, например МД-104, чувствительность которых при угле больше 60° падает практически вдвое по сравнению с фронтальным направлением. Этим же объясняется рекомендация введения регулятора для баланса двух сравниваемых сигналов на входе порогового устройства. И так как у применяемых нами направленных микрофонов чувствительность падает более чем в два раза при α≥70° (см. фиг. 6, [9] - И.Н Сидоров. Отечественные и зарубежные микрофоны и телефоны. Справочное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004 г., 290 с.), угол полной компенсации сигнала α_кр на частоте F₀, рассчитанной по выражению (1), рекомендуется выбрать равным или менее 35° для D_отр=0,5 м (см. табл. 1). Данное условие позволяет оставить ниже порога внеполосные сигналы гармоник резонансной частоты.This explains the proposal of the authors to use supercardioid unidirectional capsules as additional microphones, for example, MD-104, the sensitivity of which at an angle of more than 60 ° almost doubles compared to the frontal direction. This also explains the recommendation of introducing a regulator for the balance of the two compared signals at the input of the threshold device. And since the sensitivity of the directional microphones we use more than doubles at α≥70 ° (see Fig. 6, [9] - I.N Sidorov. Domestic and foreign microphones and telephones. Reference manual. - M .: Hot line - Telecom, 2004, 290 s.), The angle of full signal compensation α _cr at a frequency F ₀ calculated by expression (1), it is recommended to choose equal to or less than 35 ° for D _sp = 0.5 m (see table 1). This condition allows out-of-band signals of harmonics of the resonant frequency to remain below the threshold.

На фиг. 2 показана схема подключения выходных сигналов дополнительных микрофонов 2 через резонансные фильтры 7 к суммирующему усилителю 9. Пороговое устройство (компаратор) 10 пропускает лишь те сигналы, которые оказались выше порога или, иначе говоря, если суммарный сигнал с пары дополнительных микрофонов 2 имеет значение A_Σ≥1,5 (см. табл. 1). Далее сигнал с порогового устройства 10 в случае превышения порогового значения поступает на индикатор-регистратор уровня 11, после чего включают на прием звука направленный микрофон 1 в фокусе отражателя. При переходе на регистрацию других более высоких резонансных частот, наличие которых в принимаемом спектре звука не исключено, следует в соответствии с выражением (1) установить новое расстояние между дополнительными микрофонами, например, L₁ (см. фиг. 1). Например, при F₁=850 Гц и угле поворота α=35° это расстояние будет равно:In FIG. 2 shows a connection diagram of the output signals of additional microphones 2 through resonant filters 7 to a summing amplifier 9. A threshold device (comparator) 10 passes only those signals that are higher than the threshold or, in other words, if the total signal from a pair of additional microphones 2 has the value A _Σ ≥1.5 (see table 1). Then, the signal from the threshold device 10, in case of exceeding the threshold value, is fed to the indicator-recorder of level 11, after which the directional microphone 1 at the focus of the reflector is turned on for sound reception. When switching to the registration of other higher resonant frequencies, the presence of which in the received sound spectrum is not excluded, it is necessary in accordance with expression (1) to establish a new distance between additional microphones, for example, L ₁ (see Fig. 1). For example, with F ₁ = 850 Hz and an angle of rotation α = 35 °, this distance will be equal to:

Аналогично, при F₂=340 Гц L₂≈0,86 м, а при F₃=1260 Гц L₃≈0,14 м.Similarly, at F ₂ = 340 Hz, L ₂ ≈0.86 m, and at F ₃ = 1260 Hz, L ₃ ≈0.14 m.

Как следует из фиг. 1, при F₃=340 Гц и диаметре отражателя D_отр=0,5 м дополнительные микрофоны 2 располагаются за пределами отражателя на штангах, расстояние между которыми будет меняться в пределах 0,14÷0,86 м с плечом поворота 0,18 м (фиг. 5). Так как резонансные частоты фильтров F₀ и расстояния между дополнительными микрофонами определяются выражением (1), то расчетные значения |А_Σ| в таблице 1 будут соответствовать и для любых других резонансных частот, в частности на частотах 340 Гц и 1260 Гц. При этом требования к ширине резонансной кривой остаются неизменными, т.е. предлагается установить ширину резонансных кривых фильтра не более 60 Гц (±30 Гц).As follows from FIG. 1, with F ₃ = 340 Hz and the diameter of the reflector D _Otr = 0.5 m, additional microphones 2 are located outside the reflector on the rods, the distance between which will vary within 0.14 ÷ 0.86 m with a shoulder of 0.18 m (Fig. 5). Since the resonant frequencies of the filters F ₀ and the distances between additional microphones are determined by expression (1), the calculated values of | A _Σ | Table 1 will correspond to any other resonant frequencies, in particular at frequencies of 340 Hz and 1260 Hz. In this case, the requirements for the width of the resonance curve remain unchanged, i.e. It is proposed to set the width of the resonant filter curves to not more than 60 Hz (± 30 Hz).

Необходимо отметить условие, которое авторы рекомендуют выполнять при использовании отражательного приемника с дополнительными микрофонами для корректировки угла приема - условная прямая, соединяющая микрофоны, при приеме должна быть параллельна горизонту. Это требование обеспечивает удобство эксплуатации приемника звука при работе антенны в условиях равнинной местности. При реализации приемника предлагается ввести в конструкцию шарнирное приспособление, обеспечивающее свободу вращения устройства по двум осям - «влево-вправо» и «вверх-вниз».It is necessary to note the condition that the authors recommend to fulfill when using a reflective receiver with additional microphones to adjust the reception angle - the conditional line connecting the microphones should be parallel to the horizon when receiving. This requirement provides ease of use for the sound receiver when operating the antenna in flat terrain. When implementing the receiver, it is proposed to introduce a hinge device into the design that provides freedom of rotation of the device along two axes - “left-right” and “up-down”.

На фиг. 3 представлена схема хода отраженных звуковых сигналов от периферийных участков отражателя, а также от центральных областей при α≈10° и 30°.In FIG. 3 is a diagram of the course of the reflected sound signals from the peripheral portions of the reflector, as well as from the central regions at α≈10 ° and 30 °.

Видно, что при α≠0 вместо фокусной точки (используя линейные оптические законы отражения) формируется фокусная область вблизи оптического фокуса с границами ΜΝ по оси 5 при α=10° и ОР - при α=30°, (при этом ΜΝ=0,5Δ (α=10°) и OP ≈2Δ (α=30°) см. фиг. 1, а также при D_отр=50 см Δ≈5 см). Эта схема иллюстрирует важность наводки отражательного приемника на источник звука. Помимо этого, несовершенство формы параболической чаши, а также дифракция звуковых волн на низких частотах приводят к размыванию фокальной области в пятно ([10] - Ю.А. Крутяков, А.Ю. Качалов. О распространении и фокусировке звука. - М.: Журнал «T-Comm Телекоммуникации и транспорт», №1, 2014 г.). При этом звуковые волны с неаксиальных направлений также попадают в эту область, в связи с чем вносится дополнительная расфокусировка направленности. Следует отметить частотную зависимость отражательных параболических приемников в верхнем речевом диапазоне частот (свыше 4,5 кГц), которая вызвана разницей линейного хода отраженных лучей относительно периферийных участков отражателя и центральных областей в направлении фокуса.It is seen that, at α ≠ 0, instead of the focal point (using linear optical reflection laws), a focal region is formed near the optical focus with ΜΝ boundaries along the 5 axis at α = 10 ° and RR at α = 30 °, (with ΜΝ = 0, 5Δ (α = 10 °) and OP ≈2Δ (α = 30 °) see Fig. 1, and also with D _sp = 50 cm Δ≈5 cm). This diagram illustrates the importance of pointing a reflective receiver to a sound source. In addition, the imperfection of the shape of the parabolic cup, as well as the diffraction of sound waves at low frequencies, leads to the erosion of the focal region into the spot ([10] - Yu.A. Krutyakov, A.Yu. Kachalov. On sound propagation and focusing. - M .: Magazine "T-Comm Telecommunications and Transport", No. 1, 2014). In this case, sound waves from non-axial directions also fall into this region, in connection with which an additional defocusing of the directivity is introduced. It should be noted the frequency dependence of reflective parabolic receivers in the upper speech frequency range (above 4.5 kHz), which is caused by the difference in the linear course of the reflected rays relative to the peripheral portions of the reflector and the central regions in the focus direction.

Поэтому авторы рекомендуют выходной сигнал с микрофона 1 в фокусе отражателя подключать к усилителю через широкополосный фильтр с полосой частот, граничные значения которых соответствуют так называемым «реперным» частотам речевых полосовых фильтров (от F₁ до F₂ и F₃ в рассмотренном примере), но не выше 4,5 кГц.Therefore, the authors recommend that the output signal from microphone 1 at the focus of the reflector be connected to the amplifier through a broadband filter with a frequency band whose boundary values correspond to the so-called “reference” frequencies of speech band-pass filters (from F ₁ to F ₂ and F ₃ in the considered example), but not higher than 4.5 kHz.

Как показано на фиг. 2, выходной сигнал с усилителя 9 подключают к индикатору-регистратору 11, на котором на слух или визуально фиксируют его максимальное значение, после чего вручную или автоматически включают на прием звуковых сигналов микрофон 1 в фокусе отражателя. На фиг. 4 показана блочная схема цепи выходного сигнала микрофона 1, который включается в цепь переключателем П₂. Отмечаем, что диаграмма направленности микрофона 1 направлена в сторону отражателя, а его выходной сигнал подключают через фильтр 12 к выходному усилителю 13. Выходной сигнал приемника с усилителя 13 подключен к выходным разъемам 14.As shown in FIG. 2, the output signal from the amplifier 9 is connected to the indicator-recorder 11, on which its maximum value is audibly or visually recorded, after which the microphone 1 is manually or automatically turned on to receive sound signals at the focus of the reflector. In FIG. 4 shows a block diagram of the circuit of the output signal of the microphone 1, which is included in the circuit by a switch P ₂ . We note that the directivity pattern of the microphone 1 is directed toward the reflector, and its output signal is connected through the filter 12 to the output amplifier 13. The output signal of the receiver from the amplifier 13 is connected to the output connectors 14.

Конструктивное исполнение предложенного способа корректировки направления отражательного приемника на визуально ненаблюдаемый источник звука показано на фиг. 5. Авторы предлагают упомянутые фильтры 7 с выключателем 8, регулируемое пороговое устройство 10, индикатор уровня сигнала 11, переключатель П₂, фильтр 12, усилитель 13 расположить в ручке-держателе 15. На фиг. 5 условно показана конструкция крепления держателя 15 отражателя 4, а также крепление штанг с дополнительными микрофонами 2. Для удобства оператора на корпус ручки-держателя следует вывести гнезда выходного сигнала 14 для подключения внешних устройств записи и прослушивания сигнала. Также на корпус выводят ручку регулировки порога, ручку переключателя 8 фильтров 7, индикатор для визуализации или озвучивания достижения максимального значения сигнала с дополнительных микрофонов и тумблер (кнопка) включения микрофона 1 в фокусе отражателя 4.The design of the proposed method for adjusting the direction of the reflective receiver to a visually unobservable sound source is shown in FIG. 5. The authors propose the above-mentioned filters 7 with a switch 8, an adjustable threshold device 10, a signal level indicator 11, a switch P ₂ , a filter 12, an amplifier 13 located in the handle holder 15. In FIG. 5, the design of mounting the holder 15 of the reflector 4 is shown, as well as the mounting of the rods with additional microphones 2. For the convenience of the operator, the output signal sockets 14 should be output to the handle-holder housing for connecting external recording and listening devices. Also, a threshold adjustment knob, a switch knob 8 of the filters 7, an indicator for visualizing or voicing the achievement of the maximum signal value from additional microphones and a toggle switch (button) for turning on the microphone 1 in the focus of the reflector 4 are displayed on the body.

Таким образом, предложен способ дополнительной корректировки оси отражательного приемника на визуально ненаблюдаемые источники звука, который позволит регистрировать звуковые сигналы в телесном угле 20° с высоким отношением сигнал-шум, что также может найти практическое применение в кино- и телеиндустрии, геомониторинге, в поисково-спасательных и разведывательных структурах.Thus, a method is proposed for additionally adjusting the axis of the reflective receiver to visually unobservable sound sources, which will allow recording sound signals in a solid angle of 20 ° with a high signal-to-noise ratio, which can also find practical application in the film and television industries, geomonitoring, and search rescue and reconnaissance structures.

Claims

A method for adjusting the axis direction of a reflective sound wave receiver to visually difficult to observe or unobservable sound sources, including the operation of receiving sound with a parabolic reflector, in the focus of which a directional microphone is placed, characterized in that the rod is rigidly fixed to the rim of the parabolic reflector with a diameter D _neg or to the handle of the receiver on which two additional directional microphones are mounted symmetrically with respect to the focus of the reflector, the distance between which is changed accordingly ii inequality L ₁ <D _Neg <L _2, the output signals from these microphones are connected to the inputs of the summing amplifier through the same resonant filters, the resonant frequencies correspond inequality F _1> F _res> F ₂ and connected with said distances given by:

moreover, F _pez corresponds to the distance D _Otr , F ₁ to the distance L ₁ , F ₂ to the distance L ₂ , and the filter bandwidth is not more than ± 30 Hz from F _pez , F ₁ or F ₂ , while the output signal of the summing amplifier through an adjustable the threshold device is fed to the indicator-recorder, on which the maximum value of the output signal is fixed, after which the microphone placed at the focus of the reflector is turned on to receive sound, and the output signal from this microphone is connected through a filter with a 60 Hz passband to the amplifier, the output signal of which is supplied n and the receiver for listening, processing and further recording, while the radiation pattern of the additional microphones has a maximum in the forward direction of the reflector, and the microphone in focus is in the opposite direction, and the conditional line connecting the additional microphones is parallel to the horizon.