Общие понятия о направленных микрофонах

В начале 90-х годов направленные микрофоны вызывали повышенный интерес у организаций и частных лиц, которые занимались вопросами сбора информации с помощью технических средств. Это было связано с тем, что очень немногие люди ранее имели дело с данной техникой, а различные буклеты отечественных и зарубежных фирм рекламировали «универсальное средство получения информации». В технических описаниях приводились фантастические данные о дальности съема информации (до 2000 м) и коэффициентах направленного действия (до 50 дБ) при достаточно скромных габаритах (не более полуметра) и относительно невысокой стоимости (50... 800 $). Под впечатлением от таких характеристик у потенциальных клиентов в голове возникали планы безопасного и простого перехвата речевой информации с помощью замечательного направленного микрофона.

В то же время многие стали опасаться, что их переговоры будут «считываться со стекол окон офисов, квартир и автомобилей», да и на улице теперь любые встречи не представлялись конфиденциальными. Разжиганию страстей способствовали «шпионские» фильмы, научно-популярные статьи в различных изданиях, выступления «специалистов с большим практическим стажем работы со спецтехникой».

В результате, в 1991—1994 годах в России наблюдался массовый спрос на направленные микрофоны. Их приобретали как вновь образованные спецслужбы, получившие право на оперативно-розыскную деятельность, так и частные службы безопасности, детективные агентства, бандиты и авантюристы всех мастей. Однако результаты попыток применения микрофонов обескураживали. О километрах никто уже не вспоминал, да и прослушивание разговора на расстоянии в 100 м получалось крайне редко. Раздосадованные покупатели обвиняли фирмы в том, что им «подсунули некачественный товар», а продавцы, в свою очередь, ссылались на неумение применять технику на практике. Следствием этого стало резкое падение интереса к направленным микрофонам со стороны всех потенциально заинтересованных в добывании информации лиц. Соответственно, необходимостью защиты информации в случае возможного применения данной техники начали пренебрегать, хотя в 1995—1996 годах на рынке России были представлены около двух десятков типов направленных микрофонов как отечественного, так и иностранного производства. Сотни единиц оказались в руках далеко не самых законопослушных граждан.

Для того чтобы оценить возможности направленных микрофонов и степень опасности, которую они могут представлять в руках недобросовестных конкурентов, необходимо понять используемые в приборах физические принципы. Ибо без этих знаний невозможно организовать успешную защиту своих секретов от подобных преступных посягательств.

В наиболее общем виде любой направленный микрофон можно представить как некоторый комплекс, состоящий из чувствительного элемента (собственно микрофона), осуществляющего акустико-электрическое преобразование, и механической системы (акустической антенны), обеспечивающей направленные свойства комплекса.

Микрофон

Микрофон (от греч. mikros — малый и phone — звук) — это электроакустический прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические.

В зависимости от принципа действия микрофоны делят на следующие типы:

>- порошковые угольные;

>- электродинамические;

>- электростатические (конденсаторные и электретные);

>- полупроводниковые;

>- пьезоэлектрические;

>- электромагнитные.

Порошковый угольный микрофон впервые был сконструирован русским изобретателем М. Махальским в 1878 году и позже, независимо от него, П. М. Голубицким в 1883-м. Принцип действия такого микрофона основан на том, что угольная или металлическая мембрана под действием звуковых волн колеблется, изменяя плотность и, следовательно, электрическое сопротивление угольного порошка, находящегося в капсюле и прилегающего к мембране. Вследствие неравномерного механического давления сила тока, протекающего через микрофон, изменяется в акустический сигнал. Однако в интересах съема информации микрофоны данного типа практически не используются из-за их низкой чувствительности и большой неравномерности амплитудно-частотной характеристики.

Электродинамический микрофон катушечного типа изобрели американские ученые Э. Венте и А. Терас в 1931 году. В нем применена диафрагма из полистирольной пленки или алюминиевой фольги. Катушка, сделанная из тонкой проволоки, жестко связана с диафрагмой и постоянно находится в кольцевом зазоре магнитной системы. При колебаниях диафрагмы под действием звуковой волны витки катушки пересекают магнитные силовые линии и в обмотке наводится электродвижущая сила (ЭДС), создающая переменное напряжение на выходе микрофона. Вместо катушки может использоваться ленточка из очень тонкой (около 2 мкм) металлической фольги.

В конденсаторном микрофоне, изобретенном американским ученым Э. Венте в 1917 году, звуковые волны действуют на тонкую металлическую мембрану, изменяя расстояние и, следовательно, электрическую емкость между мембраной и металлическим неподвижным корпусом, которые представляют собой пластины электрического конденсатора. При подведении к пластинам постоянного напряжения изменение емкости вызывает появление тока через конденсатор, сила которого изменяется в такт с колебаниями звуковых частот.

Электретный микрофон, изобретенный японским ученым Егути в начале 20-х годов XX века, по принципу действия и конструкции схож с конденсаторным. Только роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения в нем играет пластина из электрета. Недостатком такого микрофона является высокое выходное сопротивление, которое приводит к большим потерям сигнала, поэтому в корпус элемента, как правило, встраивают истоковый повторитель, что позволяет снизить выходное сопротивление до величины не более 3...4 кОм.

В пьезоэлектрическом микрофоне, впервые сконструированном советскими учеными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, звуковые волны воздействуют на пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами (например, из сегнетовой соли), вызывая на ее поверхности появление электрических зарядов.

В электромагнитном микрофоне звуковые волны воздействуют на мембрану, жестко связанную со стальным якорем, находящимся в зазоре обмотка неподвижной катушки. В результате воздействия акустических волн на такую систему на выводах обмотки появляется ЭДС. Данные изделия так же, как и порошковые угольные микрофоны, не получили широкого распространения из-за большой неравномерности амплитудно-частотной характеристики.

Обобщенные характеристики перечисленных типов микрофонов приведены в табл. 1.3.4.

Таблица 1.3.4. Основные характеристики акустических приемников-микрофонов

Тип микрофона /Диапазон частотной характеристики, Гц /Неравномерность воспроизводимых частот, дБ /Осевая чувствительность на частоте 1кГц, мВм²/н

Порошковые угольные /300...3400 /20 /1000

Электродинамические /30...15 000 /12 /1

Конденсаторные /30...15 000 /5 /5

Электретные /20...18 000 /2 /1

Пьезоэлектрические /100...5000 /15 /50

Электромагнитные /300... 5000 /20 /5

Чаще всего в направленных микрофонах применяются чувствительные элементы (микрофоны) электретного типа, так как они имеют наилучшие электроакустические характеристики: широкий частотный диапазон; малую неравномерность амплитудно-частотной характеристики; низкий уровень искажений, вызванных нелинейными и переходными процессами, а также высокую чувствительность и малый уровень собственных шумов.

Точность воспроизведения перехватываемых акустических сигналов (разборчивость речи) зависит не только от типа микрофона. Важное значение имеют и характеристики электронного блока, состоящего из микрофонного усилителя и головных телефонов. В большинстве же случаев, из экономических соображений фирмы, поставляющие направленные микрофоны, комплектуют их дешевыми электронными блоками, соответствующими аппаратуре 3-го класса бытовой техники. Поэтому владельцы таких средств зачастую вынуждены сами подбирать акустический усилитель и головные телефоны с требуемыми параметрами.

Однако самое главное в направленных микрофонах — это свойства его акустической антенны.

Акустические антенны являются именно теми основополагающими элементами, которые определяют облик и основные характеристики комплексов дистанционного перехвата речевой информации. Назначение их заключается в усилении звуков, приходящих по основному направлению, и существенном ослаблении всех остальных акустических сигналов.

В настоящее время разработано несколько модификаций антенн, в соответствии с которыми существует следующая классификация направленных микрофонов (рис. 1.3.27):

Рис. 1.3.27. Классификация направленных микрофонов

>- комбинированные;

>- групповые, в том числе:

>- линейные группы микрофонов;

>- трубчатые приемники органного типа;

>- трубчатые щелевые приемники;

>- фазированные решетки;

>- микрофоны с параболическим рефлектором.

Для сравнительной оценки качества вышеперечисленных направленных микрофонов используют технические характеристики, основными из которых являются характеристика направленности и индекс направленности.

Характеристика, или диаграмма, направленности — это чувствительность микрофона в зависимости от угла q между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Ее определяют или на ряде частот, или в пределах полосы частот. Обычно используют нормированную характеристику направленности R(Q), то есть зависимость отношения чувствительности Е_q измеренной под углом q, к осевой (максимальной) чувствительности Еoc.

R(q)=Е_q/Еос

Большинство микрофонов имеет осевую симметрию, поэтому характеристика направленности для них одинакова во всех плоскостях, проходящих через ось микрофона. Графическое представление характеристик направленности часто дают в полярных координатах (рис. 1.3.28).

Индекс направленности показывает выраженную в децибелах разницу уровней мощности сигналов на выходе микрофона от двух источников звука: одного (например, голоса человека), расположенного на оси, и другого — источника рассеянных звуковых волн (например, шума автотрассы), если оба создают в точке расположения микрофона одинаковое акустическое давление. Иными словами, индекс направленности показывает величину подавления (дискриминации) шума, приходящего с бокового направления, по отношению к сигналу, приходящему с направления, совпадающего с осью микрофона.

Ненаправленный микрофон не подавляет шума, поэтому его индекс направленности равен нулю (Qнм = 0 дБ).

Коэффициент направленного действия показывает выраженную в децибелах степень увеличения уровня сигнала на выходе микрофона при замене ненаправленного микрофона направленным и постоянной величине акустического давления.

Рис. 1.3.28. Характеристика направленности микрофона

Комбинированные микрофоны

Эти устройства являются простейшим видом направленных микрофонов, так как представляют из себя систему, состоящую из двух типов акустических приемников-микрофонов. Обычно это приемники давления и градиента давления, реагирующие соответственно на величину и изменение величины акустического сигнала.

Простейшая комбинация этих приемников, наиболее часто применяемая на практике, состоит из одного микрофона-приемника давления и одного микрофона-приемника градиента давления, располагаемых как можно ближе друг к другу (обычно один над другим) и так, чтобы их оси были параллельны.

Изменяя параметры микрофонов, можно получать различные характеристики направленности и соответственно индексы направленности (рис. 1.3.29) всей системы. Наибольший индекс достигается для случая, когда диаграмма имеет вид гиперкардиоиды (Qгк = 6 дБ).

Групповые микрофоны

В соответствии с классификацией, приведенной на рис. 1.3.27, к групповым акустическим приемникам относятся линейные группы, трубчатые 1 микрофоны и фазированные решетки.

Рассмотрим их более подробно.

Рис. 1.3.29. Виды характеристик направленности для комбинированных микрофонов:

1 — окружность для приемника давления; 2 — кардиоида для комбинированного приемника с одинаковой чувствительностью приемников давления и градиента давления; 3 — суперкардиоида; 4 — гиперкардиоида; 5 — косинусоида (восьмерка) для одного приемника градиента давления

Линейная группа приемников (микрофонов) — это несколько микрофонов, обычно располагаемых в ряд по прямой горизонтальной линии так, чтобы их оси были параллельны друг другу (рис. 1.3.30), иногда микрофоны располагают по небольшой дуге. Электрические выходы акустических приемников последовательно соединяют в специальном смесителе.

Характеристика направленности такой линейной группы R(Q) из N элементов определяется как произведение характеристики направленности одиночного приемника R₁(q) на характеристику группы:

R(q)=R₁(q)[sinNx /(Nsin x)],

где х = р (d/l) sin q, a d — расстояние между отдельными приемниками.

Чем меньше отношение длины волны l акустического сигнала к длине группы l = (N - 1)/d, тем уже будет основной лепесток диаграммы направленности и больше индекс направленности. Однако следует иметь в виду, что при чрезмерной длине группы (сравнимой с расстоянием от приемника до источника звука) будут сказываться интерференционные явления из-

Рис. 1.3.30. Общий вид линейной группы микрофонов

за большой разности хода звуковых волн от источника до входов отдельных микрофонов, входящих в состав группы.

Численное значение ширины основного лепестка определяется из соотношения:

Так, например, для группового приемника, состоящего из шести ненаправленных микрофонов, расположенных по прямой линии с шагом d= 10 см (l = 50 см) и частотой принимаемого сигнала f = 1000 Гц (l = 33 см), ширина основного лепестка составляет величину q₁ = 41°. Расчет индекса направленности для этой группы дает величину 8 дБ.

Основной недостаток такого типа направленных микрофонов — это обеспечение направленных свойств только в плоскости, проходящей через оси микрофонов; в ортогональной плоскости характеристика такая же, как и у одиночного микрофона.

Трубчатый микрофон органного типа так же использует свойства групповых антенн. Его вид схематично представлен на рис. 1.3.31.

Такой микрофон имеет в своем составе несколько десятков тонких трубок 1 с длинами от нескольких сантиметров до метра и более. Эти трубки собирают в пучок — длинные по середине, короткие — по наружной поверхности. Концы трубок с одной стороны образуют плоский срез 2, входящий в предкапсюльный объем 4. Сам микрофонный капсюль 3 выбирается, как правило, электродинамического или электромагнитного типа (приемника давления) в зависимости от требуемого частотного диапазона. Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, проходят в трубки и поступают в предкапсюльный объем в одинаковой фазе.Их амплитуды складываются арифметически:

где N — количество трубок, a U — амплитуды звуковых волн. Звуковые волны фонового шума, приходящие под углом 6 к оси, оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину, поэтому

амплитуды этих волн складываются геометрически:

где Дф — величина разности фаз для любой пары звуковых волн, при->. шедших по трубкам, длины которых отличаются на величину d:

Рис. 1.3.31. Строение трубчатого микрофона органного типа:

1 — звуковые трубки; 2 — срез трубок; 3 — капсюль микрофона; 4 — предкапсюльный объем

Характеристика направленности для такого направленного микрофона определяется из соотношения, аналогичного для линейной группы приемников:

R(q)=sinNx /(Nsin x),

где х = p (dmin/l)(1—cos q), dmin — разница в длине между ближайшими по размеру трубками.

Приведенные соображения справедливы в случае, если в трубке не образуются резонансные колебания. С этой целью входные отверстия трубок либо их концы у капсюля закрывают при помощи пробокиз пористого поглотителя.

Основным достоинством таких направленных микрофонов является высокий индекс направленности (около 8 дБ, при этом шумы, действующие с боковых направлений, ослабляются по отношению к сигналу почти в 10 раз). Основной недостаток — довольно большие геометрические размеры (максимальная длина трубок около 90 см).

На сегодняшний день подобные устройства практически не используются, за исключением нескольких экспериментальных изделий.

Трубчатый щелевой приемник (иногда его называют приемником бегущей волны) — представляет собой трубку с отверстиями или сплошной осевой прорезью по всей длине. С некоторым приближением такую трубку можно рассматривать как множество трубок разной длины, поэтому трубчатый щелевой микрофон и относят к приемникам группового типа.

Если звук приходит по оси, то пути его распространения по трубке и через отверстия одинаковы и составляющие звукового давления от пришедших колебаний синфазны и, следовательно, сумма их, воздействующая на диафрагму микрофонного капсюля, максимальна. Если же звук приходит под углом q v. оси трубки, то разность пути звука по всей трубке и пути от входа в трубку до входа в отверстие, находящееся на расстоянии d, обусловит сдвиг фаз, определяемый как . В свою очередь, это создает сдвиг фаз различной величины между колебаниями, пришедшими через разные отверстия, что приводит, как и в предыдущем случае, к уменьшению результирующего давления на диафрагму.

Следует отметить, что чем более высокую направленность требуется получить, тем больше должна быть длина звукоприемного элемента (трубки), так как индекс направленности увеличивается с увеличением отношения длины трубки к длине волны принимаемого излучения. Для того чтобы не образовывалось стоячих волн, наружный конец звукоприемного элемента (трубки) закрывают поглощающей тканью.

Данный тип направленного микрофона получил наибольшее распространение. Причин этому можно назвать несколько:

>- простота изготовления и, как следствие, низкая стоимость;

>- наличие в стране нескольких производителей данной техники;

>- простота в применении;

>- возможность организации различных вариантов камуфляжа.

Рассмотрим в качестве примера несколько типов направленных микрофонов трубчатого щелевого типа.

Отечественный остронаправленный микрофон МД-74 состоит из собственно микрофона динамического типа и примыкающей к нему трубки длиной 0,8 м. В стенках трубки (рис. 1.3.32) проделан ряд отверстий через равные промежутки. Для компенсации падения чувствительности микрофона на высших частотах из-за большого поглощения их в трубке вокруг каждого из отверстий устанавливаются концентраторы — рупорки. Размеры их подобраны таким образом, чтобы обеспечить подъем частотной характеристики на высших частотах диапазона до 10...12 дБ. Основные параметры микрофона приведены в табл. 1.3.5.

В другом направленном микрофоне трубчатого типаКМС-19-05 рупорки отсутствуют. Он предназначен для профессиональной записи звука при работе на относительно больших расстояниях от источника (до 100 м), в условиях повышенного окружающего шума. Основные его параметры также приведены в таблице. Блок усиления на ремнях размещается на боку оператора, что создает определенное удобство в работе. Однако опыт работы с такими микрофонами показывает, что декларируемые 100 м дальности возможно получить только в тихой загородной местности. В относительно

Таблица 1.3.5. Основные характеристики некоторых трубчатых щелевых направленных микрофонов

Тип микрофона /Номинальный диапазон частот, Гц /Неравномерность частотной характеристики, ДБ /Чувствительность холостого хода на частоте 1000 Гц, мВ/Па /Направленные свойства /Внешние размеры, мм /Масса, кг

МД-74 /10...10000 /8 /1,2 /Остронаправленный (индекс направленности на частотах выше 125 Гц -не менее 6 дБ /071х810 /0,5

КМС-19-05 /20...20 000 /8 /45 /Остронаправленный /024х850 /0,28

КМС-1909 /20...20 000 /8 /30 /Односторонне направленный (угол раскрытия 115° при спаде на 6 дБ) /024х203 /0,19

МКЕ-802 /50.., 15 000 /7 /13 /Суперкардиоида /022х292 /0,185

тихом городском дворе — порядка 30 м, а на достаточно оживленной улице — 10...15 м. Можно предполагать, что подобные дальности присущи всем направленным микрофонам данного типа как отечественного, так и иностранного производства.

Следует отметить, что многие направленные микрофоны трубчатого типа комплектуются ветрозащитным чехлом, обычно из поролона, благодаря чему снижается чувствительность к помехам от ветровых атмосферных воздействий.

К базированным решеткам можно отнести все описанные выше устройства, но по устоявшейся в настоящее время терминологии к ним относят изделия, имеющие плоскость, на которой расположены открытые торцы звуководов; они обеспечивают синфазное сложение звуковых полей от источника в некотором акустическом сумматоре, на выходе которого расположен микрофон (рис. 1.3.33). Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут в фазе, и сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если направление на источник звука не осевое, а под некоторым углом к оси, то сигналы от различных точек приемной плоскости будут разными по фазе и результат их сложения будет меньше; При этом число приемных точек может достигать нескольких десятков. Очевидно, что подобная решетка

Рис.1.3.32. Трубчатый щелевой направленный микрофон:

1 — микрофон; 2 — усилитель; 3 — звуковые волны; 4 —щели; 5 — ветрозащитный поролоновый чехол

является менее громоздкой, чем микрофон органного типа, но она существенно проигрывает последнему в направленных свойствах.

Коэффициент направленного действия для данного типа направленного микрофона можно приблизительно определить по формуле:

где S — площадь входной аппертуры, м²; l — длина волны звука, м; N— число элементов решетки.

Надо отметить, что данная формула применима при расположении элементов антенной решетки по фронту на расстоянии около 15 см.

Примером направленного микрофона такого типа является изделие«Шорох». Оно относится к устройствам, предназначенным для прослушивания

Рис. 1.3.33. Направленный микрофон типа «фазированиая решетка»:

1 — микрофон; 2 — усилитель; 3 — звуковая волна; 4 — торцы звуководов;

5 — звуководы; 6 — акустический микрофон

и записи речевой информации в условиях открытого пространства, в диапазоне частот 100...10 000 Гц. Предельная паспортная дальность съема информации — 30—40 м при уровнях шума 74...76 дБ и речи 70...74 дБ. Однако в зависимости от шумовой обстановки и уровня информации дальность съема будет изменяться. Микрофон выполнен в виде гибкой пластины размером 320х320 мм, имеющей на внешней поверхности (от оператора) большое число акустических входных отверстий. За счет звуководов и суммирующих устройств образуется фазированная решетка, позволяющая сформировать диаграмму с шириной основного лепестка около 30...40° на частоте 1 кГц. Коэффициент направленного действия составляет около 12 дБ.

Микрофон, размещенный в специальном чехле, может устанавливаться на теле оператора, под одеждой в варианте грудь—спина (фронт—тыл). На поясе чехла размещен манипулятор, состоящий из усилителя низкой частоты с автоматической регулировкой усиления, источника питания и органов управления: включено—выключено с первоначальной установкой уровня полезного сигнала и два выхода на магнитофон и головные телефоны. Функциональные возможности изделия могут расширяться за счет дополнительной установки радиоканала и других сервисных устройств. Конструктивные особенности позволяют легко камуфлировать микрофон под папку, дипломат, картину и т. д.

Так как работа в помещении характеризуется наличием большого количества переотраженных сигналов от различных элементов строительных конструкций в виде стен, потолков, колонн, то максимальная эффективность работы такого направленного микрофона достигается в помещениях с объемом более 500 м³.

Рекомендуется избегать использования двух слоев одежды поверх микрофона, один из которых утеплен или выполнен из кожи (кожзаменителя). Полезный сигнал можно записывать без предварительного контроля, но при этом следует помнить, что расстояние до источника звука не должно, более, чем 4—5 раз, превышать расстояние, при котором обеспечивается требуемое качество записи, выполненной ненаправленным микрофоном.

Известны и другие образцы антенных решеток, выполненные, например, в виде бруска, который может камуфлироваться под различные предметы. Оценочные расчеты показывают, что в зависимости от геометрических размеров бруска коэффициент направленного действия находится в пределах 2...5 дБ.