Дифференциальные решетки микрофонов первого порядка Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Естественные и технические науки. 2013. № 4 — С. 313—315.

7. Гапонов, В.Л. Управление профессиональными рисками - эффективный инструмент повышения безопасности труда / В.Л. Гапонов, Ю.Ю. Киселева // Актуальные вопросы науки. — 2012. — Выпуск VII — С. 30—35.

8. Гапонов, В.Л. Безопасность труда в промышленности / В.Л. Гапонов, Ю.Ю. Киселева, Д.М. Кузнецов, В.И. Гаршин. // IX Промышленный конгресс юга России: сб. статей (11—13 сентября 2013 г., Ростов-на-Дону). — Ростов - на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2013. — С. 283 - 290.

9. Федеральный закон "О специальной оценке условий труда" от 28.12.2013 N 426-ФЗ [Электронный ресурс] / Консутант плюс. - Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_156555/

10.Гапонов, В.Л. СУОТ на основе управления рисками / В.Л. Гапонов, Д.М. Кузнецов, В.И. Гаршин, Ю.Ю. Челнокова //Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение. - 2011. - Выпуск XIII- С. 105-110.

11.ГОСТ Р 12.0.010-2009 Национальный стандарт Российской Федерации. Система стандартов безопасности труда. Системы управления охраной труда. Определение опасностей и оценка рисков [Электронный ресурс] / Консутант плюс. - Режим доступа: http:// www.consultant.ru /cons/cgi/online.cgi? req=doc;base= STR;n= 13628#0

12.Киселева, Ю.Ю. Внутренний аудит безопасности как профилактика профессиональной заболеваемости / Ю.Ю. Киселева, В.Л. Гапонов. // Актуальные вопросы науки. - 2013. - Выпуск IX - С. 60-66.

13.Гапонов, В.Л. Экономический подход к производственной безопасности / В.Л. Гапонов, Ю.Ю. Киселева. // 21 век: фундаментальная наука и технологии. - 2013. - Выпуск II - С. 241-245.

© Гапонов В.Л., Хабарова Н.Я., Гапонов С.В., Гапонова Е.Ю., 2016

УДК 621.391.83

Глазков Виталий Владимирович

канд. тех. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана,

г. Москва, РФ Email: wave@sm.bmstu.ru Гонобина Марина Владимировна студент МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ РЕШЕТКИ МИКРОФОНОВ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

Аннотация

В данной работе рассматриваются характеристики дифференциальных решеток микрофонов первого порядка. Исследованы частотные зависимости основных параметров.

Ключевые слова Дифференциальная решетка микрофонов, диаграмма направленности, коэффициент направленного действия.

Введение

В настоящее время существует большое число приложений, в которых производится обработка акустических сигналов [1 - 3]. Все чаще для этих целей используются МЭМС-микрофоны [4, 5]. Использование таких микрофонов позволяет строить дифференциальные решетки микрофонов [6]. Дифференциальные решетки микрофонов позволяют получать высокие значения характеристик направленности системы при ее малых размерах. Но при таком построении возникает проблема существенного изменения характеристик всей системы при незначительном отклонении параметров отдельного микрофона он номинальных. В случае применения такого подхода для ответственных

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

применений необходимо принимать меры по снижению отклонений параметров микрофонов от номинальных.

Дифференциальная решетка микрофонов первого порядка состоит из двух всенаправленных датчиков, расстояние между которыми d (рис. 1).

Рисунок 1 - Структура дифференциальной решетки микрофонов первого порядка

При приходе звука с главного направления 9 = 0 между этими датчиками появляется задержка:

й

т*= с,

где с скорость звука.

На вход дифференциальной решетки приходит плоская волна, которая характеризуется волновым числом к. Благодаря радиальной симметрии выходные сигналы датчиков Х1(ш) и Х2(ш) можно выразить функцией, зависящей от угла в и частоты о. Существует соотношение = кй = штА между волновым числом и частотой сигнала.

В центральной точке массива можно расположить виртуальный микрофон с выходным сигналом

Х0 (ш). Плоская волна, падающая под углом в, с волновым числом к = ^ вызывает появление сигналов на

л

выходе микрофонов X1 и Хъ

Хг(ш) = Х0(ш)е

.kd 2

j—cos9

J 2

Х2(ш) = Хо(ы)е-}-с08в. Выход дифференциальной решетки имеет вид:

Ув(ы)= ±(Х1(ы)-Х2(ы)е-^). Функция направленности дифференциальной решетки HD является отношением сигнала на выходе решетки У0(ш) к сигналу на выходе виртуального микрофона

Н0(ш, в) = je-iÍ2 sin (If + cos б)).

je-j^sm( — (- + cos6)). (1)

Обычно рассматривают очень малые значения kd « 1, что позволяет использовать приближение sin а «а . В этом случае идеализированная функция направленности HD имеет вид:

Нв(ш,в) « Нв(в) = jiffc+cose). (2)

При таком представлении основные характеристики дифференциальных решеток микрофонов очевидны:

- Вид Н0(в) определяется выражением--+ cos в, которое не зависит от частоты.

- Из-за вычитания сигнала (см. рис. 1) происходит фазовый сдвиг на -

- Частотная характеристика функции направленности Н0(ш) имеет вид фильтра верхних частот первого порядка (рис. 2, а).

На низких частотах выходной сигнал YD (ш) становится сильно восприимчивым к любым изменениям формы характеристики Н0(ш). По этой причине расстояние d не следует выбирать слишком малым, что может приводить к конфликту с условием kd « 1.

В точном выражении для функции направленности (1) присутствует синусоидальная функция, которая

масштабирует амплитуду. Рационально ограничить рабочий диапазон дифференциальной решетки в

диапазоне низких частот до первого максимума синуса. Этот первый максимум фиксирует частоту среза

п

тА + т

Шс =

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

На рис. 2, a показана точная частотная характеристика в соответствии с выражением (1) для кардиоиды. Частота среза отмечена кругом. Для низких частот характеристики направленности практически не зависят от частоты. Это очевидно, так как линии на рис. 2, а параллельны. Однако при увеличении частоты форма частотной характеристик становится все более и более деформированной. Кроме того, на некоторых частотах происходит полное подавление сигнала.

- 1 о ^^ 1

0=0° ^^ \ / / \ /

- 6=90°

В=|35° 1 1 Iii

0.1 0.3 1 3

Ы/тг

а)

0.1 0.3 1 3

Ы/тг б)

Рисунок 2 - Функция направленности кардиоиды. а) без выравнивания б) с выравниваем.

Для того чтобы скомпенсировать высокочастотный характер поведения Н0(ш,в) необходимо разработать фильтр И^(^). Для главного направления 9 = 0 скорректированная частотная характеристика На(ш, в = 0)Шеч(ш) должна быть постоянной и равной 0 дБ, а для частот ниже

( 1

, 0 < ш < шс

Weq&) =

sinl^—)

V2 шг)

{ 1 , в остальных случаях Вид выравненной диаграммы направленности В = 0)И^(^) показан на рис. 2, б.

Для низких частот ю^-0 коэффициент усиления фильтра Weq имеет очень большие значения. Это означает, что любые шумы, имеющиеся во входном сигнале, будут значительно усилены. Уровень этих шумов определяется конкретным датчиком. Это обстоятельство ограничивает частотный диапазон сигнала для обработки с помощью дифференциальной решетки микрофонов.

Направленные свойства решетки микрофонов характеризуются коэффициентом направленного действия (КНД). Он может быть выражен как отношение квадрата модуля функции направленности в главном направлении к усредненному значению квадрата модуля по всем направлениям:

|Я(^,0 = 0)|2

Ш(^) =

1

Учитывая точное выражение для функции направленности (1), можно получить новое выражение для зависимости КНД от частоты:

Шд(^) =

ш

2 sin2 (тл + т)

1 — si(^Ti4) cos(^r)'

где si(x) = -sin(x).

КНД для низких частот получается аналогично результату аппроксимации HD по выражению (2):

lim D1d(u>) = Did = 3(lA+Tl

ш—>0 U u 3т\+3т2

(3)

На рис. 3, а показан КНД для диполя, кардиоиды и гиперкардиоиды, частота среза отмечена кружками. Для некоторых частот, больших частоты среза, КНД принимает даже отрицательные значения (в дБ). На рис. 3, б показан КНД для низких частот в соответствии с выражением (3).

0.4 0.6

г/та б)

Рисунок 3 - КНД для кардиоиды, гиперкардиоиды и диполя. а) без аппроксимации б) с аппроксимацией по выражению (3)

Исследуем влияние рассогласования параметров микрофонов для дифференциальных решеток первого порядка. Используем модель нестабильности параметров микрофона в виде передаточная функции М = МгеГ + АМ. Номинальная передаточная функция датчика Мгег в этом случае нормирована к значению 1.

Предполагается, что отклонение АМ является независимой случайной величиной с дисперсией:

о* = Е[\АМ\2}, где Е{} - оператор математического ожидания.

Сигналы с двух датчиков на рис. 1 тогда запишутся следующим образом:

Х^ш) = Х0(ш)(1 + АМ^е^039,

^ %2((*)= Х0(ш)(1 + АМ2)е-]1ТсО59. Функция направленности На для дифференциальной решетки с учетом нестабильности параметров микрофона может быть получена аналогично выражению (1). Но теперь есть дополнительные условия, которые зависят от АМ^ (I = {1,2}) . Для случайных чисел квадратичные слагаемые остаются, а линейные обнуляются, поэтому получим:

(4)

Е {1Йв(ш,в)12} = 1Нв(ш,в)12 + 2О2м. В результате можно получить модифицированное выражение для КНД:

e{IDId(U)I} = j

2 sin2 (тА + т)) + о]

JM

si(^ri4) cos(tär) + Ом

2

Важно понимать, что в выражении (4) КНД 0) характеризует поведение системы на высоких

частотах. В то время как выравнивающий фильтр Weq учитывает эффекты нестабильности параметров микрофонов и усиливает их для низких частот.

Таким образом, в данной работе приведена зависимость КНД дифференциальной решетки микрофонов первого порядка от частоты. Она может быть дополнена с помощью модели нестабильности параметров микрофона на низких частотах.

На основе представленной зависимости КНД от частоты и модели нестабильности параметров микрофона может быть определен рациональный рабочий диапазон частот для нормального функционирования массива микрофонов. Нижняя граница этого диапазона ограничивается нестабильностью параметров микрофона, а верхняя частота среза определяется геометрией массива d. Список использованной литературы:

1. Хохлов В.К., Коршикова Ж.С. Пеленгация локализованного источника акустических излучений на основе знакового корреляционного метода // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2008. № 3. С. 66-74.

2. Хохлов В.К., Коршикова Ж.С. Пеленгация локализованного источника акустических излучений на основе спектрального метода обработки сигналов // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2010. № 1. С. 62-73.

3. Лихоеденко К.П., Хохлов В.К. Дискриминационные характеристики акустических пеленгаторов локализованных источников широкополосных излучений с временным способом обработки сигналов // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, № 6. С. 47-53.

4. Амеличев В.В., Вернер В.Д., Ильков А.В. МЭМС-микрофон. Выбор материалов, конструкции и технологии. Часть 1. Электромеханический чувствительный элемент // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 2. С. 53-62.

5. Амеличев В.В., Вернер В.Д., Ильков А.В. МЭМС-микрофон. Выбор материалов, конструкций и технологии. II. Влияние полости под диафрагмой на характеристики микрофона // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 3. С. 27-36.

6. Глазков В.В., Муратов И.В. Использование дифференциальных решеток микрофонов для подавления акустического шума // Вестник СИБГУТИ. 2016. № 3 (35). С. 215-222.

© Глазков В В., Гонобина М.В., 2016

УДК 621.396

Глазков Виталий Владимирович

канд. тех. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ

Email: wave@sm.bmstu.ru Муратов Игорь Валентинович канд. тех. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ

Email: wave@sm.bmstu.ru Пизаев Артем Олегович канд. тех. наук, зам. начальника отделения ФКП «НИИ «Геодезия»,

г. Красноармейск, РФ Email: 1000safety@gmail.com

РАЗРАБОТКА СЛЕДЯЩЕГО ПЕЛЕНГАТОРА ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Аннотация

В данной работе рассматриваются вопросы построения пеленгатора акустических сигналов.