Направленный микрофон

Направленный микрофон — это тип микрофона, обладающий повышенной чувствительностью к звукам, приходящим с одного определённого направления, и ослабляющий звуки, приходящие с других сторон. Основное назначение направленных микрофонов — выделение целевого источника звука на фоне окружающего шума, что широко используется в звукозаписи, теле- и радиожурналистике, системах связи, охране и научных исследованиях.

Принцип работы

Направленность микрофона достигается за счёт использования акустических или электронных методов, которые создают разницу в фазе или амплитуде сигнала, поступающего от источников, расположенных под разными углами. Основные физические принципы, лежащие в основе направленности, включают:

• Интерференция звуковых волн: В микрофонах с интерференционной трубкой (например, «ружья») звук, приходящий сбоку, попадает в микрофон через отверстия в трубке с разной задержкой, что приводит к частичному взаимному ослаблению (интерференции) сигнала. Звук, приходящий вдоль оси трубки, достигает капсюля без задержки и не ослабляется.
• Градиент давления: Микрофоны, работающие по принципу градиента давления (например, двунаправленные), имеют открытую заднюю сторону капсюля. Разница в звуковом давлении на переднюю и заднюю стороны диафрагмы зависит от угла прихода волны. При нулевом угле (спереди) разница максимальна, при 90° (сбоку) — равна нулю, при 180° (сзади) — максимальна, но с обратным знаком.
• Комбинация капсюлей: В микрофонах с изменяемой диаграммой направленности (например, студийных) используются два или более капсюля, сигналы с которых смешиваются в определённой пропорции. Изменяя соотношение сигналов, можно получить кардиоиду, суперкардиоиду, гиперкардиоиду, всенаправленную или двунаправленную диаграмму.

Типы диаграмм направленности

Диаграмма направленности микрофона — это графическое представление его чувствительности в зависимости от угла прихода звука. Основные типы диаграмм:

• Всенаправленная (круговая): Микрофон одинаково чувствителен ко всем направлениям. Не является направленным, но служит базой для сравнения.
• Двунаправленная («восьмёрка»): Максимальная чувствительность спереди и сзади, минимальная — с боков.
• Кардиоида: Наиболее распространённая направленная диаграмма. Имеет форму сердца: максимальная чувствительность спереди, снижение к бокам и полное подавление сзади.
• Суперкардиоида: Более узкая передняя зона, чем у кардиоиды, но появляется небольшой задний лепесток чувствительности. Обеспечивает лучшее подавление боковых шумов.
• Гиперкардиоида: Ещё более узкая передняя зона, но задний лепесток больше, чем у суперкардиоиды. Обеспечивает максимальное подавление шумов с боков.
• Остронаправленная (игольчатая): Чрезвычайно узкая диаграмма, характерная для микрофонов-пушек. Обеспечивает максимальное выделение звука из узкого луча.

Классификация направленных микрофонов

По конструктивным и технологическим особенностям направленные микрофоны делятся на несколько основных видов.

Интерференционные (микрофоны-пушки)

Это наиболее распространённый тип остронаправленных микрофонов. Конструктивно представляют собой длинную трубку с прорезями или отверстиями по всей длине, в торце которой расположен микрофонный капсюль (обычно суперкардиоидный или гиперкардиоидный). Трубка создаёт акустическую задержку для боковых звуков, вызывая их интерференцию и ослабление. Длина трубки определяет частотный диапазон и степень направленности: чем длиннее трубка, тем ниже частота, на которой начинает работать эффект направленности, и тем уже диаграмма. Применяются на телевидении, в кино, на спортивных мероприятиях для записи звука с большого расстояния.

Микрофоны с параболическим отражателем

В таких микрофонах используется параболическое зеркало (рефлектор), которое фокусирует звуковые волны, приходящие с оси, в точку, где расположен обычный (часто всенаправленный) микрофонный капсюль. Парабола обеспечивает очень высокую направленность, особенно на высоких частотах, но габариты устройства зависят от длины волны: для низких частот требуется зеркало большого диаметра. Используются для записи звуков природы, в орнитологии, для наблюдения за животными, а также в военных и разведывательных целях.

Ларингофоны и контактные микрофоны

Хотя эти микрофоны не являются направленными в классическом акустическом смысле (они не выделяют звук из пространства), они обладают высокой избирательностью к источнику вибрации. Ларингофон крепится на горле оператора и снимает вибрацию голосовых связок, практически не реагируя на окружающий шум. Контактные микрофоны крепятся к поверхности инструмента или другого объекта. Они обеспечивают «направленность» на источник за счёт механического контакта.

Градиентные микрофоны

Микрофоны, работающие на принципе градиента давления. К ним относятся двунаправленные и многие кардиоидные модели. Их направленность достигается за счёт конструкции капсюля с открытой задней стороной. Такие микрофоны часто используются в студийной работе, так как позволяют менять диаграмму направленности (например, в микрофонах с переключаемыми характеристиками).

Применение

Направленные микрофоны находят применение в самых разных сферах:

• Кино и телевидение: Запись диалогов актёров на съёмочной площадке, репортажная съёмка, запись звука на спортивных мероприятиях.
• Журналистика: Интервью на улице, пресс-конференции, работа в шумной обстановке.
• Звукозапись: Студийная работа с вокалом и инструментами (кардиоидные и суперкардиоидные микрофоны), запись хоров и оркестров (использование комбинаций микрофонов).
• Научные исследования: Биоакустика (запись звуков животных), орнитология, акустическая экология.
• Охрана и безопасность: Системы прослушивания, акустический мониторинг, системы громкой связи.
• Военное дело: Разведка, наблюдение, системы связи в условиях шума.
• Телекоммуникации: Гарнитуры и спикерфоны с подавлением шума (используют комбинацию микрофонов, один из которых направлен на рот, другой — на окружающую среду, для последующего вычитания шума).

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокая избирательность: возможность выделить целевой источник звука на фоне сильного шума.
• Увеличение дальности эффективной записи: можно записывать звук с расстояния в несколько метров и более.
• Снижение влияния реверберации: направленный микрофон меньше «слышит» отражённый от стен звук.

Недостатки:

• Зависимость от точности наведения: даже небольшое отклонение от оси может привести к резкому падению уровня сигнала.
• Чувствительность к ветру и механическим шумам: из-за конструкции (длинная трубка, парабола) такие микрофоны требуют обязательного использования ветрозащиты (поролоновые чехлы, «мохнатые» ветрозащиты, зефирки).
• Эффект «близости»: у градиентных микрофонов при работе вблизи источника наблюдается подъём низких частот, что может искажать тембр.
• Сложность конструкции и высокая стоимость (особенно для параболических и профессиональных интерференционных моделей).

Известные производители

На рынке профессиональной аудиотехники представлено множество производителей направленных микрофонов. Среди наиболее известных: Sennheiser (Германия), Audio-Technica (Япония), Shure (США), Rode (Австралия), Neumann (Германия), DPA (Дания), Sanken (Япония). В России также существуют производители, выпускающие направленные микрофоны, в том числе для спецслужб и профессиональной звукозаписи, например, компании «Октава» и «Союз».

Интересные факты

• Первые направленные микрофоны были разработаны в 1930-х годах для нужд киноиндустрии, чтобы записывать звук с большого расстояния, не мешая актёрам.
• Параболические микрофоны использовались во время Второй мировой войны для раннего обнаружения самолётов по звуку двигателей.
• В современной акустике для создания направленности всё чаще используют цифровые микрофонные решётки, состоящие из множества капсюлей, сигналы с которых обрабатываются программно (beamforming). Это позволяет менять направление «виртуального» луча без механического перемещения микрофона.

Источники

1. Бобров, А. В. «Акустика и звукоусиление». — М.: Радио и связь, 1985.
2. Дик, Л. «Микрофоны и их применение». — М.: Энергия, 1971.
3. Ковалгин, Ю. А. «Электроакустика». — М.: Горячая линия – Телеком, 2008.
4. Руководства пользователя и технические описания микрофонов Sennheiser, Shure, Audio-Technica.
5. ГОСТ 16122-87 «Микрофоны. Методы измерения электроакустических параметров».