Тестирование виртуального микрофона для регистрации звукового сигнала в реальных условиях (продолжение "Виртуальные микрофоны")

Все эксперименты, о которых было рассказано ранее, проводились в лабораторных условиях, в безэховой камере с синусоидальными сигналами. Для того чтобы проанализировать реальное качество работы виртуального микрофона и его пригодность для записи звука, необходимобыло провестиэксперимент с использованием какого-либо источника реального речевого или музыкального сигнала.

Прежде всего, необходимо решить вопрос с приемником звукового сигнала – микрофоном. Метод акустического подавления хорошо справляется с подавлением несущей частоты. Однаков силу того, что для получения хорошего качества полезного сигнала необходимо генерировать ультразвуковой сигнал с очень высоким уровнем давления, существует опасность того, что ультразвуковой микрофон будет клиппированвторой гармоникой ультразвукового сигнала с частотой 80 кГц.

В ранее описанных экспериментах использовался конденсаторный микрофон MK301, разработанный специально для приема ультразвука. Этот микрофон обладает ровной частотной характеристикой до 60 кГц, однако имеет и существенный недостаток – у него очень маленькая мем-брана, которая позволяет принять лишь малую часть энергии ультразвуковой волны, что приводит к низкой чувствительности – примерно 2 мВ/Па. Заметим, что какую-либо другую модель микрофона, которая бы обладала более высокой чувствительностью на высоких частотах (до 60 кГц) найти в номенклатуре выпускаемых изделий чрезвычайно трудно. Таким образом, для получения хорошего результата необходимо обеспечить высокоеусиление сигнала, а это приводит, к сожалению, и к усилению шума, что невыгодно с точки зрения получения хорошего отношения сигнал/шум.

В одной из попыток повысить чувствительность конденсаторного микрофона, был использован акустический параболический рефлектор-диаметром 120 мм, изготовленный из твердого пластика. Достигнутое с его помощью усиление сигнала составило примерно 20 дБ. Однако для достижения наилучшего результата требовалось расположить микрофон точно в фокальной точке рефлектора, а сам рефлектор – в точности на одной линии с ультразвуковым излучателем, что не всегда возможно.

Наилучшее отношение сигнал/шум из всевозможныхрассматривае-мых вариантов было достигнуто при использовании в качестве приемного устройства излучателей HyperSonicSoundSystemHSS-3000. В этом плоском ультразвуковом излучатель применяются пассивные диэлектрические элементы, способные генерировать ультразвук с высоким значением давления и высокой направленностью. Излучатель состоит из 34 элементов размером 2.5 мм × 260 мм, занимающих общую площадь 120 мм × 260 мм. Поскольку пьезоэлектрический эффект это процесс обратимый (механические колебания приводят к возникновению электрических и наоборот), излучатель легко может работать и как передатчик, и как приемник. При его использовании в качестве приемника в комбинации с выходным трансформатором, имеющим низкий уровень собственных шумов, был получен уровень выходного напряжения около 130 мВ/Па, а это, что важно подчеркнуть, гораздо больше уровня сигнала, достигнутого с помощью конденсаторного микрофона.

Главным недостатком использования HSS-3000 в качестве приемника является его частотная характеристика, изображенная на рисунке9.12. Резонансная частота его – 43.3 кГц, а примерно на расстоянии 5 кГц от максимумаамплитуда уменьшается на –20 дБ. По обе стороны от точки резонанса частотная характеристика имеет весьма неровный характер и стремительно падает. Это приводит к значительной потере извлекаемой аудиоинформации, особенно на высоких частотах.

Таким образом, для эксперимента в качестве передающего и приемного устройств были использованы два одинаковых излучателя HSS-3000. Четыре участника эксперимента были размещены в ряд за одним длинным столом, как показано на рисунке 9.13. Траектория распространения луча проходит прямо перед людьми параллельно плоскости стола, а ее длина примерно равна 6 м.

В ходе эксперимента каждый из участников по очереди говорил в своей обычной манере, затем промодулированный ультразвук был принят идемодулирован, а полученный звуковой сигнал усилен до необходимого уровня. Качество звука и разборчивость речи в нем оказались довольно невысокими. На то есть несколько причин.

Как и ожидалось, частотные ограничения излучателя HSS-3000, работающего на прием, не позволяют получать сигнал приемлемого качества. Связано это с тем, что данная модель излучателя была разработана, прежде всего, для излучения ультразвука, а не для его приема. И, несмотря на то, что благодаря большой площади его поверхности преобразование волны в электрический сигнал происходит с довольно высокой эффективностью, наличие резонансана частотной характеристике излучателя приводит к существенным потерям и искажениям полезного сигнала. В качестве возможного решения этой проблемы возникла идея использования излучателя HSS-3000 в комбинации с диэлектрическими излучателями, оптимизированными для приема колебаний.

Еще один существенный недостаток заключается в следующем. Ультразвуковой луч имеет цилиндрическую форму и остронаправленный характер.Следовательно, его интенсивность радиально симметрична относительно центральной оси. Это означает, что ультразвуковая волна будет воспринимать звуковые колебания со всех сторонодновременно и одинаково. Иными словами, в приведенном примере будет зафиксирована не только речь говорящего человека, но и, например, шум в зрительном зале. Разумеется, это также негативно влияет на качество и разборчивость речи, т.к. полученный звуковой сигнал является суммой полезного сигнала и различных шумов, а отделить их друг от друга не представляется возможным.

9.5. ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ

При использовании виртуального микрофона для восприятия звучания какого-либо конкретного источника – например, речи говорящего в данный момент человека, можно попытатьсясконцентрировать его чувствительность в какой-либо определенной области, например в пространстве перед конкретным человеком.Для этого потребуется комбинация из двух виртуальных микрофонов, изображенная на рис.9.14.

Оба ультразвуковых луча здесь направлены вдоль одной траектории, но в противоположные стороны. Сигналы с обоих виртуальных микрофонов содержат одну и ту же аудиоинформацию. Сконцентрировать их работу на одном участке позволяет простая схема с задержкой и с сумматором. Расположение точки концентрации вдоль оси распространения регулируется интервалами задержки τA и τB. Если выставить одинаковые значения задержки, то последующее суммирование усилит только сигнал с выделенной области, а вся остальная аудиоинформация будет подавлена. Таким образом, появляется возможность сфокусироваться на любой точке записываемой оси, что позволяет, к примеру, записывать речь только одного человека из множества. Точка, в которой сконцентрирована чувствительность системы,можно назватьточечным приемником.

Эта идея эволюционировала в еще более сложную систему, которая позволяет регулировать направленность еще точнее. Суть этой установки заключается в использовании двух пар виртуальных микрофонов, каждая из которых идентична конфигурации, изображенной на рис.9.14. Каждый точечный приемник принимает почти идентичную аудиоинформацию, но с несколько разными задержками. Эта разница возникает из-за того, что время, за которое распространяется ультразвук, различно для каждой пары, что в свою очередь обусловлено различным положением микрофонов относительно источника звука. Таким образом, сигналы от обоих приемников могут быть использованы для формирования виртуального микрофона с регулируемой направленностью. Пример такой модели изображен на рис.9.15.

Координата каждого точечного приемника вдоль записываемой оси является настраиваемой и определяется в процессе обработки сигнала. Таким образом, эта модель является на данный момент наиболее оптимальным вариантом для записи речи в условиях пресс-конференции. Она обладает регулируемой направленностью θ и позволяет перемещать точечный приемник в любую необходимую точку.

9.6. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНОГО

УЛЬТРАЗВУКОВОГО МИКРОФОНА

Технология регистрации звуковых колебаний с помощью виртуального ультразвукового микрофона на данный момент является еще очень молодой, но несомненно весьма перспективной. И, хотя на данном этапе, даже в условиях, близких к идеальным, качество получаемых звуковых сигналов напоминает звучание первых грампластинок, все вышеизложенные трудности в работе не являются непреодолимыми. Такие проблемы как сложность детектирования полезного сигнала, необходимость обеспечения широкого динамического диапазона и ровной частотной характеристики всех элементов тракта и невысокая помехоустойчивость частично возможно преодолеть и сегодня, а с развитием технологий, несомненно, появится возможность использовать более качественные устройства и механизмы, которые помогут преодолеть все недостатки. К примеру, находящийся сейчас в стадии разработки графеновый микрофон способен воспринимать акустические колебания в полосе частот до нескольких мегагерц при очень линейных АЧХ и ФЧХ. Если использовать такой микрофон в качестве приемника ультразвукового сигнала, то в качестве несущей можно выбрать

частоту гораздо выше, чем 40 кГц, и качество выделенного звукового сигнала будет гораздо лучше, чем в описанных эксперимен-тах.Недостаток виртуального микрофона, состоящий в его ненаправленности, т. е. в способности воспринимать звук со всех сторон, может обернуться достоинством, если использовать его для записи реверберации в помещении.

Самым главным итогом проделанной на сегодняшний день работы является то, что сама возможность записи звука при помощи ультразвукового луча теперь экспериментально доказана.

Основное преимущество виртуального микрофона перед традиционными технологиями заключается в том, что непосредственно устройство записи невидимо и неосязаемо. Это предоставляет совершенно уникальные возможности в сфере разведки и прослушивания. Однако и в потребительской сфере, отсутствие необходимости установки и настройки большого количества проводной аппаратуры является несомненным плюсом.

Это является существенным поводом предполагать, что с развитием технологий виртуальный микрофон может получить признание в определенных сферах деятельности и успешно заменить традиционные виды микрофонов.

Глава 9 из книги В.А. Никамин "Микрофоны" СПб, 2020, 116 с.