Принципи функціонування та основні характеристики мікрофонів

Засоби акустичної розвідки

Абонентські засоби криптозахисту провідного, радіо та мобільного зв’язку

До них можна віднести криптотелефон «Семкод», котрий призначений для криптозахисту конфіденційної інформації що є власністю Держави при передаванні мовних повідомлень через телефонні канали що комутуються, фізичним лініям, каналах ТЧ, а також при роботі з терміналами мобільного та космічного зв’язку «Сектор» та «Секрет». Має у складі вокодер, , модуляр перетворень сигналів мови, модем зв’язку, шифратор ГОСТ28147-89, контролер керування.

Апарат захищеного телефонного зв’язку «Криптон-4М7» за ГОСТ 28147-89, Апарат захищеного космічного зв’язку «Сектор», мобільного зв’язку «Секрет», захищеного передавання даних «Топаз-8000», захищена радіостанція «Крион» за ГОСТ 28147-89.

В основі всіх засобів акустичної розвідки лежить використання мікрофонів. Мікрофони - це перетворювачі акустичних коливань в електричні. Більшість мікрофонів є перетворювачами акустичної енергії в електричну. Є мікрофони, засновані на іншому принципі - релейному. У них під дією акустичних коливань відбувається перетворення енергії постійного струму в енергію змінного струму [8]. До основних характеристик мікрофонів відносяться: чутливість, частотна характеристика, характеристика спрямованості (коефіцієнт спрямованості) і рівень власного шуму.
Чутливість - це відношення напруги U на вході мікрофона до звукового тиску Р, чинному на мікрофон [8]:

E=U/P

Чутливість визначається або по напрузі холостого ходу, або по напрузі на номінальному навантаженні за яке зазвичай приймають внутрішній опір мікрофона на частоті 1000 Гц. Звуковий тиск в системі СІ вимірюється в Ньютона на квадратний метр. А одиниця виміру отримала назву Паскаль:

1 Н/м = 1 Па (Паскаль) [8].

Чутливість мікрофона залежить від частоти, тому вводиться поняття середньої чутливості - середньоквадратичне значення в номінальному діапазоні частот. Причому усереднюють чутливість, виміряну на частотах, розподілених рівномірно в логарифмічному масштабі [8].

Чутливість, виражена в децибелах щодо величини 1В/Па, називається рівнем чутливості. Стандартним рівнем чутливості називається виражене в децибелах відношення напруги Uд, що розвивається на номінальному опорі навантаження R", при звуковому тиску 1 Па, до напруги, що відповідає потужності Ро = 1 мВт [8].

Залежність рівня чутливості від частоти називається частотною характеристикою. Її нерівномірність визначають в номінальному частотному діапазоні для даного типу мікрофона. Характеристика спрямованості - залежність чутливості мікрофона у вільному полі від кута між робочою віссю мікрофона (напрямком, по якому мікрофон має найбільшу чутливість) і напрямом на джерело звуку. Цю характеристику визначають на ряді частот або для смуги частот. Зазвичай наводять нормовану характеристику спрямованості, тобто залежність відношення чутливості Eq, виміряної під кутом q, до осьової чутливості Ео [8]:

R(q)=Eq/Eo

Більшість мікрофонів має осьову симетрію. За характеристикою спрямованості мікрофони, використовувані для ведення акустичної розвідки, діляться на ненаправлені і гостронаправлені. Графічне представлення характеристик спрямованості називають діаграмою спрямованості, яку часто представляють у полярних координатах. Для обліку величини зменшення чутливості під різними кутами відносно осьового напрямку вводиться коефіцієнт спрямованості G - відношення квадрата осьової чутливості мікрофона у вільному полі Еo до середнього з квадратів чутливості по всіх радіальних напрямках Еqs [8]:

G=Eo/Eqs

Його визначаються на ряді частот або для смуги частот. Навіть у відсутності якого-небудь акустично сигналу поблизу мікрофона напруга на його виході не дорівнює нулю. Наявність напруги є наслідком флуктуації часток в навколишньому середовищі, а також теплових шумів опорів в електрічній частіні мікрофона. Рівень власного шуму мікрофона L, приведений до акустичного входу, визначаються як рівень еквівалентного звукового тиску Рш, при впливі якого на мікрофон отримали б вихідну напругу, що дорівнює вихідній напрузі мікрофона Uш, що розвивається ним при відсутності звукових коливань [8].

Мікрофони за принципом електромеханічного перетворення діляться на електродінамічні, електростатічні, електромагнітні та релейні [8]. Електродинамічні мікрофони по конструкції механічної системи діляться на котушкові (динамічні) i стрічкові. Електростатічні діляться на конденсаторні, в тому числі и електретні, і п'єзомікрофоні. Електромагнітні - на односторонні и діференційовані. Релейні - на вугільні та транзісторні. За акустичних характеристикам мікрофоні діляться на приймачи тиску, приймачи градієнта тиску, комбіновані и групові. Характерною особливістю приймача тиску є те, що його рухома механічна система (наприклад, діафрагма) відкрита для діїЇ звукових хвиль тільки з одного боку. У приймача градієнта тиску рухома механічна система відкрита для звукових хвиль з обох сторін, тому на неї діє різніця тисків хвиль що падає на фронтальну поверхню діафрагми та тієї що огинає її з тильного боку.

Для отримання різних форм характеристик спрямованості зазвичай комбінують приймачі тиску і градієнта тиску.

Однакові приймачі для підвищення спрямованості об'єднують у групи. До них відносяться лінійні групи і трубчасті приймачі.

У засобах акустичної розвідки найбільш широко застосовуються динамічні, конденсаторні та п'єзомікрофони.

Принцип дії динамічного мікрофона полягає в тому, що котушка з намотаним на неї проводом, що знаходиться в радіальному магнітному полі і жорстко з'єднана з діафрагмою, коливається під дією звукового тиску, перетинаючи силові лінії. Внаслідок цього в ній індукується електрорушійна сила (ЕРС) [8].

Для створення магнітного поля зазвичай використовують кільцевий магніт. Діафрагму виготовляють з легких, але міцних матеріалів. Конденсаторний мікрофон являє собою конденсатор, один з елементів якого масивний, а другий - тонка натягнута мембрана [8]. На конденсатор подається поляризуюча напруга Up через високоомний опір Rн. Джерело поляризуючої напруги не витрачає енергії, так як постійної складової струму немає. При коливаннях мембрани ємність конденсатора С_о змінюється, а так як заряд q залишається постійним (конденсатор не встигає перезаряджатися через велику постійну часу t = Rн * С_о), то змінюється напруга на ньому. Це додаткове напруження Ud і є ЕРС, що виникає від дії звукового тиску на мембрану. Напруга, що отримується на навантаженні, дещо менше ЕРС через падіння напруги на ємності конденсатора.

В електретному мікрофоні, на відміну від конденсаторного, поляризуюча напруга утворена попередньої електризацією одного з електродів, виготовленого з полімерів або керамічних матеріалів що поляризуються. Такий електрод має металеве покриття, яке по суті і є електродом конденсатора, а електрет слугує лише джерелом поляризуючої напруги. Поляризація електрета поступово зменшується і через декілька років потрібна або його заміна, або повторна поляризація. У цьому недолік електретного мікрофона в порівнянні з конденсаторним, але і перевага, тому що для нього не потрібно джерела напруги. За механічними, акустичними характеристикам, а також за конструкцією електретний мікрофон нічим не відрізняється від конденсаторного [8].

В п'єзомікрофонах використовується явище п'єзоефекту [8]: при деформації пластинки, вирізаної з кварцу, сегнетової солі або інших кристалів, а також п'єзокераміки (титану, барію тощо) відбувається її поляризація, тобто виділення зарядів на площинах. Якщо пластину вирізати під певним кутом до осі кристала, то можна отримати поляризацію при деформації пластинки від її поперечного вигину. При наклеюванні металевих електродів на дві протилежні грані пластинки між ними отримують різницю потенціалів, пропорційну величині деформації пластинки від поперечного вигину. Для отримання невеликого механічного опору при згині пластинку беруть дуже тонкою, а для отримання найбільшого електричного опору довжину і ширину пластинки вибирають порівняно великими. П'єзомікрофони відносяться до електростатичного типу мікрофонів, оскільки основні співвідношення що керують процесами перетворення коливань, подібні до тих що відбуваються в електростатичних перетворювачах, наприклад типу електретні. Різниця між ними полягає в тому, що п'єзоелектричні перетворювачі не вимагають електричної поляризації: електричний заряд у них утворюється при деформації. У електретні перетворювачів наявний заряд як би пульсує в такт зміни ємності перетворювача, що викликається деформацією електрети [8].