2.3. Акустические микрофоны и преобразователи

2.3. Акустические микрофоны и преобразователи

Микрофоны, как известно, преобразуют энергию звукового сигнала в электрический сигнал. В совокупности со специальными усилителями и фильтрующими элементами они могут быть использованы в качестве устройств, позволяющих получать необходимую информацию. Для этого, например, может быть создана скрытая проводная линия связи, обнаружить которую можно лишь физическим поиском, либо проводя контрольные измерения сигналов во всех проводах, имеющихся в помещении. Естественно, что методы радиоконтроля, эффективные для поиска радиопередатчиков, в данном случае не имеют смысла.

Кроме перехвата непосредственно звуковых колебаний, некоторые микрофоны, так называемые микрофоны-стетоскопы, могут очень хорошо воспринимать разнообразные звуки, распространяющиеся по строительным конструкциям здания. Их используют для прослушивания помещений сквозь стены, двери, открытые окна и форточки.

Для получения информации, идущей только с одного направления, используются узконаправленные микрофоны. В простейших из них узкая диаграмма направленности формируется за счет использования длинной трубки и микрофона, установленного в ней. Трубка маскируется под трость или зонт. В более сложных конструкциях могут использоваться несколько трубок различной длины - это так называемый микрофон органного типа. Такой микрофон способен улавливать звуки голоса на расстоянии до 1000 метров. Высокую направленность имеют также микрофоны, в которых диаграмма направленности формируется параболическим концетратором звука. Ниже приведены схемы и описания некоторых конкретных устройств.

Чувствительный микрофон с усилителем на малошумящих транзисторах

Конструирование чувствительных усилителей для прослушивания речи имеет свои особенности. Одна из практических схем микрофонного усилителя приведена на рис. 2.34.

Это устройство содержит двухкаскадный усилитель низкой частоты на малошумящих транзисторах VT1 и VT2, корректирующий фильтр на транзисторе VT3 и оконечный усилитель, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме, на транзисторах VT4-VT6. Акустическое усиление сигнала звуковой частоты, приведенным устройством составляет 85 дБ, начальный ток потребления - 1,8 мА, полоса усиливаемых частот - от 0,3 до 3 кГц, максимальный выходной уровень сигнала - 124 дБ.

Сигнал с микрофона М1 типа "Сосна" через конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT1. Поскольку чувствительность усилителя звуковой частоты ограничена внутренними шумами транзисторов, то для уменьшения шумов в первых каскадах усилителя использованы малошумящие транзисторы типа КТ3102.

Усилительные каскады на транзисторах VT1 и VT2 охвачены глубокой отрицательной обратной связью, которая позволяет обеспечить устойчивую работу каскадов и более линейную АЧХ. Нагрузкой второго каскада усилителя является перемеяный резистор R3, он же является и регулятором громкости. Сложный RС-фильтр, состоящий из элементов R3, С5, R6, С6, R7, С7 отсекает "шумовые" ВЧ составляющие, принимаемые микрофоном, и оставляет только сигналы в полосе частот до 4 кГц. Этот диапазон обеспечивает наибольшую разборчивость речевой информации.

С выхода фильтра сигнал поступает на оконечный усилитель звуковой частоты, выполненный на транзисторах VT4, VT5 типа КТ315 и транзисторе VT6 типа КТЗ61. Нагрузкой усилителя служит головной телефон типа ТМ-2А или ТЭМ. Резисторы в схеме используются типа МЛТ-0,125. Резистор R3- СПЗ-41 или другой небольших габаритов.

Настройка устройства сводится к подбору сопротивлений резисторов R1 и R16 для установки напряжения в точках А и В равным половине напряжения питания.

Микрофон для обнаружения слабых акустических сигналов на специализированной микросхеме

В отличие от предыдущего устройства, собранного на дискретных элементах, предлагаемое устройство собрано на широко распространенной микросхеме типа К237УН1 и предназначено для обнаружения слабых акустических сигналов. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 2.35.

В схеме использован электретный микрофон типа МКЭ-333. Сигнал с микрофона М1 поступает на вход микросхемы DA1 типа К237УН1, которая представляет собой усилитель низкой частоты. Усилитель включен по типовой схеме. Транзисторы VT1 типа КТ315 и VT2 типа КТ361 выполняют роль эмиттерных повторителей и служат для усиления сигнала по току. В качестве нагрузки используется телефон типа ТМ-2А.

Настройка усилителя звуковой частоты заключается в получений максимальной мощности сигнала на выходе микросхемы DA1 путем измене ния сопротивления резистора R3. Сопротивление резистора R3 подбирают таким, чтобы при номинальном напряжении питания 9 В и отсутствии сигнала звуковой частоты на входе микросхемы DA1 потенциал на выводе 1 микросхемы DA1 находился в пределах 3,75-3,85 В.

В случае неустойчивой работы усилителя, его самовозбуждения, необходимо между выходом микрофона М1 и конденсатором С2 включить резистор сопротивлением 2-68 кOм.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 3-9 В, потребляемый при этом ток составляет 2-6 мА. Вместо микрофона возможно подключение многовитковой катушки индуктивности. Она подключается между точками А и В схемы. Микрофон М1 и резисторы при этом отключаются. В последнем случае возможна регистрация переменных магнитных полей.

Направленный микрофон органного типа

Необходимо помнить, что микрофонный усилитель усиливает звуки, приходящие со всех сторон, и, если соотношение сигнал/шум будет недостаточным, нужно применять пространственные направляющие системы - (направленные микрофоны). В этом случае дистанционное звуковое прослушивание ведется с помощью дистанционно направленных микрофонов, имеющих очень узкую диаграмму направленности. С помощью такого микрофона можно прослушать разговор на расстоянии до 1 км в пределах прямой видимости и имеет место принцип: "поблизости никого нет, но тем не менее вас хорошо прослушивают". Использование явления резонанса звуковых волн в направленных системах приводит к увеличению уровня сигнала зауковой энергии, который поступает в микрофон.

Простой направленный микрофон представляет собой набор из семи алюминиевых трубок диаметром 10 мм. Длина трубки определяет резонансную частоту звукового сигнала. Формула для расчета длины трубок имеет следующий вид:

L = 330/2F,

где L - длина трубки в метрах; F - резонансная частота в герцах.

Исходя из вышеприведенной формулы, можно построить табл. 2.1, где N - номер трубки.

Таблица 2.1. Характеристики трубок направленного микрофона

Вариант размещения избирательной системы, составленной из направленных трубок, приведен на рис. 2.36.

Микрофон располагается в параболическом улавливателе, фокусом которого является направляющая система (рис. 2.37).

Дальнейшее усиление сигнала происходит за счет использования высокочувствительного микрофонного усилителя МУ. Этот направленный микрофон перекрывает диапазон частот от 300 Гц до 3300 Гц, т. е. основной информационный диапазон речевого сигнала.

Если необходимо получить более качественное восприятие речи, то необходимо расширить диапазон принимаемых частот. Это можно сделать путем увеличения количества резонансных трубок, например, до 37 штук. В табл. 2.2 приведены расчетные данные для использования в избирательной системе от 1 до 37 трубок.

Приведенная в табл. 2.2 резонансная система перекрывает диапазон частот от 180 Гц до 8200 Гц. Вариант размещения резонансных трубок приведен на рис. 2.38, где трубки располагаются "улиткой".

Вместо резонансной системы можно использовать параболический рефлектор диаметром от 30 до 80 см.

Таблица 2.2. Расчетные данные для использования в избирательной системе от 1 до 37 трубок

Выносной микрофон с питанием от линии связи

Дистанционная передача информации возможна при использовании проводных линий связи, которые соединяют выносной чувствительный микрофон и оконечный усилитель. Поскольку выходной сигнал, снимаемый непосредственно с микрофона, имеет небольшую амплитуду, то передавать его по линии связи просто нецелесообразно. Это связано с тем, что на длинных соединительных проводах навалятся разного рода помехи, имеющие зцачительную амплитуду. Чтобы передавать сигнал по этим проводам, его необходимо усилить до некоторой величины. Для усиления сигнала используется чувствительный микрофонный усилитель, расположенный в непосредственной близости с микрофоном. Питание такого усилителя осуществляется по проводам линии связи.

Ниже приведена схема выносного микрофона с питанием от линии связи. В устройстве используется динамический или электромагнитный микрофон. Коэффициент усиления по напряжению усилителя, собранного по схеме рис. 2.39, составляет около 3500.

Передача сигнала может осуществляться на десятки и сотни метров. Сигнал с микрофона М1 поступает на усилитель, собранный на транзисторах VT1, VT2 и VT3. Между выходом и входом усилителя введена отрицательная обратная связь по напряжению, образованная резисторами R1, R2, R3 и конденсатором С1. При этом начальный ток, протекающий через усилитель по цепи плюс источника питания, резистор R7, постоянен и зависит от напряжения источника питания и сопротивления нагрузочного резистора R7. Сигнал, усиленный усилителем, вызывает изменение выходного тока усилителя, что приводит к изменению напряжения на нагрузке. Это напряжение поступает на усилитель звуковой частоты через конденсатор С2.

Усилитель звуковой частоты может быть использован любой. Резистор R6 нужен для согласования внутреннего сопротивления микрофонного усилителя с сопротивлением линии связи. Выпрямительный мост VD1 типа КЦ407 необходим для предотвращения выхода устройства из строя вследствие ошибочного подключения источника питания.

Транзистор VT4, включенный по схеме "аналога" стабилитрона, предотвращает скачки напряжения на усилителе в момент подключения питания. Кроме того, он позволяет получить симметричное ограничение выходного сигнала при перегрузках усилителя, что исключает появление четных гармоник, особенно неприятных для слухового восприятия.

В устройстве используются резисторы типа МЛТ-0,125 (кроме R6 и R7). Транзисторы VT1, VT4 могут быть типа КТ315, КТ312, КТ201, КТ342, КТ3102. Транзистор VT2 - КТ361, КТ345, КТ3107. Транзистор VT3 - КТ608, КТ603, КТ630, КТ626, КТ940. Диодный мост VD1 можно заменить четырьмя диодами типа КД102, КД103.

Настройка сводится к установке необходимого коэффициента усиления путем подбора сопротивления резистора R3. При изменении сопротивления резистора R3 от 0 до 20 ком можно получить коэффициент усиления от 3500 до 10.

Питание усилителя осуществляется от источника постоянного тока напряжением от 12 до 60 В. Ток, протекающий через устройство, не должен выходить за пределы 0,5-60 мА. Его значение устанавливается подбором сопротивления R7.

Если сопротивление обмотки электромагнитного или динамического микрофона М1 по постоянному току менее 600 Ом, то его желательно включить в цепь эмиттера транзистора VT1. В качестве линии связи используется экранированный-или обычный провод. В последнем случае провода желательно свить между собой.

Малогабаритный выносной микрофон с низким питающим напряжением

Схема, приведенная на рис. 2.40, в отличие от описанной выше, работает при более низком питающем напряжении.

Выносная часть устройства имеет малые размеры. Длина соединительного кабеля составляет 15-30 м.

Устройство разделено на две части. Одна из них собрана на транзисторе VT1 типа КТ315 по схеме с общим коллектором, а вторая на транзисторе VT2 по схеме с общим эмиттером. Сигнал, снимаемый с электретного микрофона с усилителем типа МКЭ-3, поступает на базу транзистора VT1. Нагрузкой этого каскада служит резистор R3, расположенный во второй части устройства. Это сопротивление необходимо для обеспечения питания входного каскада на транзисторе VT1 при минимальном количестве соединительных проводов. Сигнал, снимаемый с резистора R3, через конденсатор С3, поступает на усилитель звуковой частоты, собранный на транзисторе VT2 типа КТ315.

Обе части устройства соединены экранированным проводом. Причем, отрицательное напряжение источника питания и сигнал звуковой частоты поступают по центральной жиле провода, а положительное напряжение поступает по оплетке.

В качестве микрофона М1 можно использовать любой электретный микрофон с усилителем. Транзистор VT1 типа КТ315 лучше заменить малошумящим транзистором КТ3102. Резисторы в схеме - типа МЛТ-0,125. В качестве источника питания используется аккумуляторная батарея на напряжение 6-9 В.

Настройка устройства заключается в установке режимов работы транзисторов VT1, VT2 путем подбора сопротивлений резисторов R2 и R4, соответственно. При этом ток коллектора каждого транзистора должен быть 0,1-0,2 мА.

Выносной микрофон с усилителем, обеспечивающим дальность передачи сигнала до 100 метров

Это устройство является улучшенным вариантом предыдущего. Оно позволяет предавать сигнал на расстояние до 100 м. Изменения в предлагаемой схеме касаются микрофонного блока. Схема устройства приведена на рис. 2.41.

Транзистор VT1 типа КТ361, на базу которого через конденсатор С2 поступает сигнал с микрофона М1, вместе с резисторами R2-R4 образует однокаскадный микрофонный усилитель. Транзистор VT2 типа КТ315 является эмиттерным повторителем и выполняет функцию динамической нагрузки первого каскада. Ток, потребляемый микрофонным усилителем, не превышает 0,4-0,5 мА, так что его можно питать от источника питания усилителя звуковой частоты.

Усилитель работоспособен в интервале питающих напряжений 3-9 В. Резисторы устройства применяются типа МЛТ-0,125. Микрофон М1 - любой электретный микрофон со встроенным усилителем. Вместо транзисторов VT1 и VT2 можно использовать транзисторы типа КТ3107 и КТ3102 соответственно.

Настройка усилителя звуковой частоты состоит в установке путем подбора сопротивления резистора R3 возможно большего напряжения выходного сигнала.

Соединение микрофонного блока с основным выполняется экранированным проводом, но возможно использование и обычного провода или провода типа "лапша". При использовании длинного соединительного кабеля наблюдается ухудшение качества воспроизведения сигнала из-за больших наводок на проводах.

Выносной микрофон с питанием от трехпроводной симметричной линии связи

Как уже говорилось ранее, кабели, связывающие микрофон с основным усилителем звуковой частоты, очень часто становятся источником дополнительных шумов. Снижение уровня полезного сигнала, которое, как правило, происходит на соединительном кабеле большой длины, можно компенсировать усилителем звуковой частоты, но при этом одновременно будут усилены и шумы.

В отличие от приведенных выше схем, ниже описана схема устройства с передачей сигнала по симметричной линии. В этом случае шумы на уровне усиленного сигнала маскируются в большей степени.

Принципиальная схема микрофонного усилителя приведена на рис. 2.42.

Сигнал, снимаемый с микрофона М1 типа МКЭ-3, "Сосна", поступает на усилитель, собранный на транзисторе VT1. Коэффициент передачи каскада, выполненного на транзисторе VT1, приблизительно определяется соотношением сопротивлении резисторов R3 и R4. Сигнал, усиленный транзистором VT1, поступает на базу транзистора VT2. А так как фаза сигнала на коллекторе транзистора VT2 противоположна фазе сигнала на эмиттере, то и сигнал, поступающий в линию, тоже противофазный. Входной каскад правой части схемы, собранный на транзисторах VT3, VT4, представляет собой сумматор со сдвигом фазы на 180°. Таким образом, противофазный полезный сигнал складывается в фазе и на выходе образуется полезный сигнал с удвоенной амплитудой. А возникающие одинаковые по фазе шумы и помехи в каждом из проводов линии взаимно уничтожаются в сумматоре. Суммарный сигнал подается на базу транзистора VT5 типа КТ361. Этот каскад имеет коэффициент усиления 4. С нагрузки этого каскада, резистора R12, сигнал подается на оконечный усилитель звуковой частоты или магнитофон.

В устройстве используются резисторы типа МЛТ-0,125. Транзисторы VT1-VT3 могут быть типа КТ315 и КТ342, транзисторы VT4, VT5 - КТ361, КТ3107. В качестве микрофона М1 может быть использован любой электретный микрофон со встроенным усилителем.

Настройка усилителя заключается в подборе сопротивления резистора R7. При этом необходимо контролировать напряжения, указанные на принципиальной схеме.

Для подключения выносного микрофона необходим экранированный кабель с двумя внутренними жилами.

Микрофонный усилитель с дифференциальным входом

Такой недостаток, как питание выносного микрофона по трем проводам, можно устранить. Ниже приведена схема с двухпроводной соединительной линией, имеющая лучшие выходные характеристики, чем выше описанная. За основу взята схема, представленная на рис. 2.41. В качестве предварительного усилителя используется дифференциальный операционный усилитель. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 2.43.

Работа выносного микрофона (левая часть схемы) подробно изложена при описании работы схемы рис. 2.41. Остановимся на подробном описании правой части схемы. Основу правой части схемы представляет операционный усилитель DA1 типа КР1407УД2, включенный по схеме дифференциального усилителя. Он представляет собой малощумящпй операционный усилитель с малым током потребления. Схема имеет коэффициент ослабления синфазных входных напряжений около 100 дБ. Это свойство и используется для подавления помех, наводимых в проводах и имеющих синфазный характер. Полезный сигнал и помеха снимаются с нагрузочных резисторов R6 и R7 и через конденсаторы С3 и С4 поступают на инвертирующий и неинвертирующий входы микросхемы DA1 соответственно. Вследствие этого сигнал помехи ослабляется в микросхеме на 100 дБ. Полезный звуковой сигнал усиливается операционным усилителем в 10 раз. Коэффициент усиления сигнала можно изменять путем изменения сопротивления резисторов R8 и R9. Увеличение их номиналов приводит к увеличению коэффициента усиления, определяемого как отношение R8/R4 (R9/R5). Сигнал, усиленный микросхемой, с выхода 6 через конденсатор С6 поступает на основной УЗЧ или магнитофон.

Резисторы R10, R11 и конденсатор С5 создают искусственную среднюю точку, в которой напряжение равно половине напряжения источника питания. Это обусловлено тем, что для питания устройства используется однополярное питание, а для нормальной работы операционного усилителя необходимо двухполярное питание. Резистор R13 устанавливает необходимый ток потребления микросхемы. Микросхему DA1 можно заменить на КР140УД1208. Но возможно и применение любого другого операционного усилителя, включенного по типовой схеме со своими Цепями коррекции. Резистор R13 в этом случае из схемы исключается.

При исправных деталях устройство начинает работать без дополнительных регулировок. Увеличить (уменьшить) усиление можно подбором сопротивлений R8 и R9.

Если левую часть схемы заменить схемой, приведенной на рис. 2.44, а из правой части убрать резисторы R6 и R7, то можно записывать на магнитофон телефонный разговор при снятой телефонной трубке.

Микрофон-стетоскоп

Наряду с узконаправленнымн и проводными выносными микрофонами, существуют устройства, которые регистрируют вибрационные колебания стен, потолков, стекол, вентиляционных шахт и т. л. Эти устройства называются микрофоны-стетоскопы. Они представляют собой довольно сложные устройства. Поэтому ниже описано устройство, которое может служить прообразом микрофона-стетоскопа, и принцип его работы. Принципиальная схема устройства приводится на рис. 2.45.

Усилитель звуковой частоты собран на микросхеме DA1 типа К140УД6. Резисторы R1 и R2 задают режим работы микросхемы. Коэффициент усиления определяется значением сопротивления резистора R3. Транзисторы VT1 типа КТ315 и VT2 типа КТ361 включены по схеме эмиттерных повторителей и усиливают выходной сигнал по току. Нагрузкой усилителя служат головные телефоны ТЭМ-2.

Датчик вибрации делается из пьезокерамической головки В1, снятой со старого проигрывателя. Виброколебания преобразуются пьезадатчиком в электрические и усиливаются усилителем DA1. В качестве пьезодатчика В2 можно применить пьезоизлучатель типа ЗП-1, ЗП-22 и им подобные от электронных часов и игрушек. Они хорошо воспроизводят частоты в диапазоне 800-3000 Гц, что, в основном, перекрывает речевой диапазон частот.

При необходимости можно усилить сигнал до нужной величины, используя дополнительный усилитель звуковой частоты. Сигнал на него поступает с выхода операционного усилителя DA1. Подобный датчик может быть с успехом использован и в качестве датчика охранной сигнализации. В качестве пьезодатчика В1 можно использовать, например, ПЭ-1, ГЗП-308 и другие.