Защита информации

Рис. 6.1. Схематическое устройство микрофонов, классифицированных по способу преобразования колебаний.

По признаку приема звуковых колебаний микрофоны подразделяют­ ся на три группы - приемники звукового давления, действующего на диаф­

рагму; приемники градиента давления, реагирующего		на	разность	звуко­
вых давлений,	действующих на обе стороны диафрагмы и приемники ком­
бинированного	типа, сочетающие свойства приемников		звукового	давле­
	ния и	градиента давления
	(рис.6.2).

Рис. 6.2. Схемы приема акустических волн микрофо- ном-приемником звукового давления (а) и микрофономприемником градиента звуко­ вого давления (б).

В микрофонах-прием­ никах давления, давление звукового поля действует только на одну сторону ди­ афрагмы, другая сторона

конструктивно защищена от этого воздействия. В микрофонах-приемни- ках градиента давления разность давлений поля воздействует на обе сторо­ ны диафрагмы.

Микрофонами-приемниками градиента давления являются ленточные микрофоны (рис. 6.1д). В зазоре между полюсными наконечниками 2, по­ стоянного магнита 4 подвешена лента из алюминиевой фольги 1 толщиной 3 - 4 мкм. Частота собственных колебаний ленты 15 - 20 Гц. Такие микро­ фоны имеют чувствительность 1 - 2 мВ/Па и обеспечивают передачу широ­ кого диапазона частот (Л.68).

Различие по воздействию звуковых колебаний на подвижную систему микрофона определяет и разные виды характеристик направленности мик­ рофона. Зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между акустической осью и направлением на источник звука изобра­ жается обычно графически в полярных координатах.

По этому признаку микрофоны подразделяются на пять типов (рис.6.3)

- ненаправленные (с круговой диаграммой)-6.3а, двусторонне направленная (“восьмерка”)-6.3б, односторонне направленные (кардиоида)-6.Зв, односто­ ронне остронаправленные (суперкардиоида и гиперкардиоида)-6.3г и б.Зд.

211

Рис. 6.1.3. Типовые диаграммы направленности микрофонов

в полярных координатах.

Направленность микрофона характеризует отношение чувствительно­ сти микрофона к осевой чувствительности.

Микрофон ненаправленного действия обладает постоянной чувстви­ тельностью независимо от направления, по которому проходят звуковые волны. Рабочее пространство такого микрофона - сфера. Следует, однако, отметить, что на частотах, где длина волны становится соизмеримой с раз­ мерами микрофона начинает сказываться экранирующее действие корпуса микрофона. Поэтому, начиная с частот 1000 - 2000 Гц у микрофона появля­ ется заметная направленность, а на частотах 10 - 15 кГц она становится весьма значительной.

Двусторонне направленные микрофоны имеют одинаковую чувстви­ тельность с фронтальной и тыльной сторон диафрагмы, чувствительность их в поперечном направлении равна нулю. Подобная характеристика со­ храняется как для нижних, так и для высоких частот.

Односторонне направленные микрофоны чувствительны к звуковым

волнам, приходящим со стороны максимальной направленности	микро­
фона.
Для получения остронаправленной характеристики микрофона исполь­
зуют различные конструкции микрофона - с интерференционным	элемен­

том или параболическим рефлектором, плоская фазированная решетка или градиентный микрофон.

По электрическим параметрам (в основном по чувствительности мик­ рофона от частоты) микрофоны подразделяются на четыре группы слож­ ности - высшая, первая, вторая и третья. Микрофоны первых трех групп предназначены для звукозаписи и воспроизведения музыки и речи, третьей группы - только для речи.

Микрофоны также классифицируются по требованиям эксплуатации, стойкости их к климатическим и механическим воздействиям (эксплуата­ ция на открытом воздухе, в закрытых помещениях, под навесом, в помеще­ ниях с повышенной влажностью и т.п.).

212

Одним из основных параметров микрофона являются осевая чувстви­ тельность микрофона, расположенного в свободном поле при распростра­ нении синусоидальной звуковой волны в направлении акустической оси микрофона.

Ее определяют по формуле:

Ео= U/P,

где U - напряжение на входе микрофона; Р - звуковое давление.

Чувствительность микрофона по диффузному полю определяется за­ висимостью:

Едиф= U / P д и ф ,

где Рдиф - звуковое давление в точке до размещения в ней микрофона. При этом под свободным полем мы понимаем такое поле, в котором преобладает прямая звуковая волна, а отраженные звуковые волны отсут­

ствуют или настолько малы, что ими можно пренебречь.

Диффузное поле - это такое поле, в каждой точке которого одинакова плотность звуковой энергии и в котором по всем направлениям распрост­ раняются одинаковые потоки звуковой энергии.

Стандартный уровень чувствительности (дБ) определяется по формуле:

Nст= 10 lg (U2ном /Rном *Р0),

где: Uном - напряжение, развиваемое на номинальном сопротивлении нагрузки Rном при звуковом давлении Ша;

Р0 - мощность электрического сигнала микрофона при давлении 1Па. Уровень собственного шума микрофона (дБ) определяется по формуле:

Nш= 20 lg (Uш/U1),

где: Um - эффективное значение напряжения, обусловленного флюктуа­ циями давления в окружающей среде и тепловыми шумами схемы микрофона;

U1напряжение при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным действием 0,1 н/м2.

Характеристика направленности микрофона может быть представле­ на уравнением улитки Паскаля:

R(θ) = (l+C*cos θ)(1+С),

где: R(θ) - отношение чувствительности микрофона Е(0) (под углом 0

кего оси) к осевой чувствительности Е0;

С- отношение чувствительности приемника к градиенту давления, определяющее форму характеристики направленности.

Взависимости от действующей на диафрагму микрофона результиру­ ющей силы звукового давления F величина выходного напряжения микро­ фона определяется величиной:

а) для угольного микрофона

U = (KFU0Rn)/(wZM (Rin2+RH),

где:

m - коэффициент модуляции;

U0 приложенное к микрофону постоянное напряжение; Rh - сопротивление нагрузки микрофона;

К - отношение коэффициента модуляции к величине смещения диаф­ рагмы микрофона;

213

F - действующая на диафрагму микрофона результирующая сила зву­ кового давления;

n - коэффициент трансформации;

R1 - внутреннее сопротивление микрофона;

Zm - механическое сопротивление акустической системы микрофона. б) для электромагнитного микрофона:

U = ω *Ф0*F* R н / d Z м ( R n + Z i ) ,

где:

ω - число витков обмотки; Ф0- магнитный ток, исходящий из полюса магнитной системы;

d - зазор между полюсом и якорем;

Zi - внутреннее электрическое сопротивление микрофона. в) для электродинамического катушечного микрофона:

U = B*L*F*Rн / Zм (Ri + Rn ) = B*L* υ*Rн / (Ri + Rn ),

где:

В - индукция в зазоре магнитной системы;

L - длина проводника обмотки подвижной катушки; υ - колебательная частота диафрагмы (якоря).

Результирующая сила звукового давления микрофона (т.е. сила, дей­ ствующая на одну сторону диафрагмы) определяется соотношением:

F = k*p0*S,

где:

р0 - звуковое давление, имевшее место в акустическом поле до внесе­ ния в него микрофона;

к - коэффициент дифракции, определяемый как отношение звукового давления р на поверхность диафрагмы к давлению р0;

S - поверхность диафрагмы, на которую воздействует звуковое давле­

ние.

Существует значительное количество различных схем и конструкций микрофонов. Однако для специальных целей несанкционированного полу­ чения информации используются малогабаритные микрофоны (как для прямого использования, так и в схемах закладных и подслушивающих уст­ ройств).

Характеристики	электродинамического			миниатюрного	микрофона
ММ-5 и конденсаторных		электретных	микроминиатюрных		микрофонов
типа МКЭ-3 и МКЭ-5	приведены в таблицах 6.1, 6.2 и 6.3 и на рис. 6.4.
Габаритные размеры		современных	конструкций микрофонов позво­

ляют использовать их без камуфляжа, размещая в интересующих помеще­ ниях через отверстия в стенах, дверях, через замочные скважины (рис.6.5). Широко используется применение для несанкционированной записи мик­ рофонов, закамуфлированных под часы, авторучки, броши, пуговицы и т.п. (рис.6.5в).

Конденсаторный электретный микрофон МКЭ-3 в микроминиатюр­ ном исполнении предназначен для использования в аппаратуре магнитной записи. Микрофон МКЭ-3 применяется в качестве встраиваемых устройств в РЭА.

214

Микрофон МКЭ-3 выполнен в пластмассовом корпусе, имеющем фла­ нец для крепления к лицевой панели РЭА с внутренней стороны. Схемати­ чески устройство микрофона приведено на рис.6.1 в.

Микрофон МКЭ-3 относится к ненаправленным, имеет диаграмму в виде круга (рис.6.За).

215

	Таблица 6.1
Основные параметры микрофона МКЭ-3:
Номинальный диапазон рабочих частот, Гц	50 - 16 000
Чувствительность по свободному полю на 10 ООО Гц, мВ/Па,	не более 3.
Неравномерность частотной характеристики чувствительности	не более 10.
в диапазоне 50 - 16000 Гц. дБ.
Модуль полного электрического сопротивления на 1000 Гц, Ом. не более 250.
Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленного	не более 25.
собственными шумами микрофона, дБ,
Условия эксплуатации:	5 - 30;
температура, С°
относительная влажность воздуха при 20° С. %,	не более 85;	.
атмосферное давление воздуха, Па	1,2 • 104 (90 мм рт. ст.)
Масса, г,	не более 80.
Габаритные размеры, мм	диаметр 14x22.

МКЭ-5

Конденсаторный электретный микроминиатюрный микрофон направ­ ленного действия МКЭ-5 предназначен для использования в качестве пет­ личного нагрудного микрофона для приема и записи речевых переговоров.

Микрофон МКЭ-5 изготавливается с приспособлением типа “кроко­ дил" для прикрепления к одежде (как правило, темного цвета). В комплект поставки микрофона МКЭ-5 входят: микрофонный капсюль; блок питания; микрофонный кабель и экран ветрозащитный. Схематическое устройство

микрофонного капсюля рассмотрено на рис.6.1в. При					работе микрофона
блок питания		с гальваническим	элементом	находится в	руке	или	кармане.
С помощью		выходного кабеля	от блока	питания микрофон		подключается
к входу звукоусилительного тракта записывающего устройства.
	Микрофон имеет круговую диаграмму направленности (рис.6.3а). Схе­
ма приема акустических волн микрофоном-приемником					градиента		звуко­
вого давления приведена на рис.6.2.
		Основные параметры микрофона МКЭ-5				Таблица 6.2
	Номинальный диапазон рабочих частот, Гц				50 -16 000.
	Чувствительность по свободному полю на 1000 Гц, мВ/Па,				не менее 3.
	Неравномерность частотной характеристики чувствительности				не более 12... 13.
	микрофона в 50 - 16000 Гц, дБ.
	Модуль полного электрического сопротивления на 1000 Гц, Ом,не более 250.
	Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленного				не более 32.
	собственными шумами микрофона, дБ,
	Условия эксплуатации;				15 - 35;
	температура, С°
	относительная влажность воздуха при 25° С. %,				не более 80;
	многократные удары и вибрационные нагрузки				- не допускаются.
	Масса микрофона с блоком питания, г				120
	Масса капсюля, г. не более				15
	Длина кабеля, мм				2500
	Габаритные размеры:				15,6x38x29 мм
	микрофона без блока питания
	блока питания				25x49x60 мм

216

ММ-5

Электродинамический миниатюрный микрофон ММ-5 предназначен

для приема речи в диапазоне частот 500 - 5000 Гц. Микроминиатюрное ис­ полнение микрофона и его высокие эргономические параметры позволяют использовать микрофон в качестве встроенных элементов малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры.

Микрофон ММ-5 изготавливается промышленностью в двух испол­ нениях - высокоомном и низкоомном и 38 типоразмеров, которые опреде­

ляются вариантом сочетаний сопротивления обмотки постоянному току,

расположением акустического входа и его видом (рис.6.4.).

Основные параметры микрофона приведены в таблице 6.3.

Варианты исполнения микрофонов приведены на рис. 6.4.

Таблица 6.3

Основные параметры микрофона ММ-5

Номинальный диапазон рабочих частот, Гц 500 - 5000.
Чувствительность на 1000 Гц на сопротивлении нагрузки,
мкВ/Па, не менее:
600 Ом (низкоомный)	300
3000 Ом (высокоомный)	600
Средняя чувствительность в диапазоне частот 500 - 5000 Гц
на сопротивлении нагрузки, мкВ/Па, не менее:
600 Ом (низкоомный)	600
3000 Ом (высокоомный)	1200
Неравномерность частотной характеристики чувствительности
в номинальном диапазоне частот, дБ,	не более 24
Сопротивление изоляции между выводами и корпусом
микрофона, МОм, не менее:
в нормальных климатических условиях	100
при воздействии относительной влажности воздуха 95 - 98 %
при 30˚ С в течение двух суток	1
Сопротивление обмотки постоянному току. Ом:
низкоомного	135± 15
высокоомного	900±100
Масса, г,	не более 1,5
Средняя наработка на отказ, ч,	не менее 6000
Срок службы, лет,	не менее 5

217

Комбинированные микрофоны

Комбинированными называют микрофоны, составленные из двух или большего числа базовых микрофонов, имеющих общий выход.

Например, комбинация двух микрофонов (Л. 62) один из которых яв­ ляется приемником давления, а другой - приемником градиента давления.

Если микрофон, являющийся приемником давления, имеет чувстви­ тельность Е, не зависящую от угла падения 0 звуковой волны, а микрофон

- приемник градиента давления, обладает чувствительностью Е2 • cos θ, то при последовательном соединении этих микрофонов получим приемник с чувствительностью:

Еос = Е1 + Е2 • cos θ

Осевая чувствительность такого приемника:

Еос = Е1 + Е2

Введем параметр q = E2/E1 характеризующий долю приемника гради­ ента давления в значении осевой чувствительности Еос.

Тогда:

Еθ= Еос(1-q+q*cosθ)

И характеристика направленности такого приемника:

R(ϴ) = Еиг/Еос = 1- q + q*cosϴ

Меняя параметр q можно получить разнообразные характеристики направленности.

Так при q = 0 остается лишь не обладающий направленностью прием­ ник давления.

При q = 0,5, что соответствует равенству осевых чувствительностей приемников Е1=Е2 диаграмма направленности изображается кардиои­ дой, а при q = 1 (отсутствует приемник давления) характеристика на­ правленности устройства R(ϴ) = cosϴ и соответствует диаграмме в виде восьмерки.

Простейшей для реализации формой объединения микрофонов явля­ ется электрическое комбинирование, которое заключается в сложении (син­ фазном или противофазном) выходящих напряжений микрофонов и осу­ ществляется либо непосредственно, либо с применением электрических фа­ зосдвигающих цепей и регуляторов.

Такое комбинирование (электрическое) позволяет реализовать возмож­ ность дистанционного изменения характеристики направленности.

Втех случаях, когда микрофоны пространственно не совмещены, ре­ зультирующая характеристика направленности равна произведению харак­ теристик направленности отдельных микрофонов, что позволяет форми­ ровать микрофонную систему с более узкой диаграммой направленности.

Получение комбинированных характеристик возможно также при ис­ пользовании специальных конструкций микрофона.

На рис. 6.6б показана схема катушечного акустически комбинирован­ ного микрофона.

Вотличие от микрофона - приемника давления его постоянный маг­ нит выполнен в форме не полого цилиндра, а отдельных стержней (кер-

218

нов). В этом случае внешнее звуковое поле действует не только на пере­ днюю сторону диафрагмы, но и на ее заднюю сторону, т.к. звуковая волна огибая микрофон, попадает внутрь магнита, (рис. 6.6б).

Давления, действующие на переднюю и заднюю стороны диафрагмы, отличаются фазой

Ф = φ1 +φ2 где:

-φ1 - фазовый сдвиг, приобретенный звуковой волной при прохож­ дении кратчайшего пути от передней стороны до входных отвер­ стий каналов в керне, зависящих от конструктивных особенностей микрофона и равный 2πd cosϴ/λ;

-φ2 - дополнительный фазовый сдвиг, который создается определен­ ным реактивным сопротивлением акустической колебательной си­ стемы, образуемой массой воздуха и гибкостью воздуха под мемб-

раной.

Конструктивные параметры микрофона подбирают таким образом, что при фронтальном воздействии звуковой волны (ϴ = 0) разность фаз φ была равна (близка) к 180°. При этом составляющие силы складываются.

Характеристика направленности таких микрофонов близка к кардио­ иде. Т.к. разность фаз и φ2 зависит от частоты, то условие φ1 = φ2 выпол­ нить трудно, поэтому чувствительность при падении волны с тыла обычно не равна нулю. Однако перепад чувствительности «фронт-тыл» для микро­ фонов подобного типа достигает 1 2 - 1 5 dБ.

Разработано значительное количество конструкций и схем подобных микрофонов, позволяющих формировать и регулировать диаграммой на­ правленности комбинированных микрофонов (рис. 6.6а).

а) Электрически комбинированный микрофон и варианты характеристик его направленности.

219

б) Устройство и принцип действия катушечного в) Схематичное изображение акустически комбинированного микрофона однонаправленного приемника

Рис. 6.6. Комбинированные микрофоны.

Акустические комбинированные микрофоны

Комбинированный акустический приемник можно получить не только электрическим способом, но и путем создания такой акустической систе­ мы, при которой действующая на приемник сила может быть разложена на две компоненты, одна из которых не зависит от угла падения звуковой волны, а другая - пропорциональна cos0.

Упрощенный вид такого микрофона представлен на рис. 6.6в (диаф­ рагма, помещенная в отрезке трубы длины 6).

Колебания диафрагмы совершаются под воздействием силы F = F1 - F2

Эти силы, действующие по обе стороны диафрагмы, отличаются фа­

зой.

Звуковой волне, достигающей тыловой стороны диафрагмы, помимо разности хода 5 cos0, полученной для приемника градиента давления, сле­ дует пройти расстояние, равное длине трубки 5. Поэтому сдвиг фаз между сигналами F1 и F2 можно выразить как сумму двух составляющих, одна из которых зависит от длины трубки и постоянна при всех углах приема, а другая - пропорциональна cos0.

Амплитуда разностной силы выражается формулой:

Fm = рзв S*δ(l- cosϴ) w/c3B.

Характеристики направленности определяются выражением кардио­ иды - (1+ cosϴ).

Изменяя площадь открытой части трубки S и ее длину 5 можно полу­ чить микрофон с требуемой диаграммой направленности.

Такие микрофоны называют акустически комбинированными.

Конструкции микрофонных систем

Малые габариты микрофонов позволяют использовать их в самых различных условиях для несанкционированного получения информации. Возможны варианты только для прослушивания акустики (упрощенный вариант) или для прослушивания и одновременной записи информации.

Подобные системы используются достаточно широко. Длина кабеля

220