Применение микрофонов для систем видеонаблюдения и аудиорегистраторов
Наша аналитика "МСБ" 2017 г.
Возможность приема аудиоинформации в пределах зоны действия видеонаблюдения является актуальной задачей. В настоящее время эта задача решается в основном с помощью ненаправленных микрофонов, и не во всех случаях они могут обеспечить необходимое качество принимаемой информации.
Предлагаемые направленные микрофоны предназначены для улучшения качества принимаемой аудиоинформации и обеспечения возможности приема в пределах радиуса действия существующих систем видеонаблюдения.
1. Особенности применения ненаправленных микрофонов
Микрофоны для систем видеонаблюдения и аудио регистраторов преимущественно представляют собой ненаправленные активные микрофоны (типа «Шорох»). Эти микрофоны обладают ограниченными возможностями для дистанционного сбора речевой и другой акустической информации. Из аналитических материалов на данную тему можно выделить статьи [1,2], где показано, что эффективность приема аудиосигналов зависит от отношения сигнал/шум (С/Ш). Приблизительно можно считать что отношение С/Ш = 0 дБ определяет предельную дальность работы микрофона. Так ненаправленные микрофоны реально могут обеспечить прием акустических сигналов от 0,3 м до 5 – 7 м и более, в зависимости от уровня акустической помехи и условий – помещение или открытое пространство. Полезный сигнал при распространении от источника уменьшается за счет сферического расхождения по закону 1/R. Это справедливо в условиях открытого пространства. Дальность действия ненаправленного микрофона в условиях тихой местности (20 – 30 дБ) ограничивается уровнем собственных шумов микрофона. Для большинства активных микрофонов (типа «Шорох») уровень собственных шумов, приведенных ко входу, составляет 30 – 34 дБА. И теоретически микрофоны в таких условиях могут обеспечить дальность действия не более 7 м. Однако такая помеховая обстановка бывает редко. В условиях акустической помехи с уровнем 50 дБ эффективность микрофона уже определяется акустической помехой и дальность приема, в условиях открытого пространства, составит не более 3 – 5м. При акустической помехе с уровнем 60 дБ и более, эффективность микрофона также определяется помехой и при этом дальность приема составит не более 1,5 – 2м.
При работе ненаправленного микрофона в помещении ситуация несколько иная. В условиях помещений дополнительно присутствуют отраженные от стен сигналы, которые как добавляют энергетику полезного сигнала, так и представляют собой так называемую реверберационную помеху, снижающую в ряде случаев разборчивость речи. Для акустической характеристики помещений существует такое понятие, как радиус реверберации, который определяется размерами помещения и наличием поглощающих материалов. Это такое расстояние, где интенсивность прямых и отраженных сигналов равна. На расстоянии больше радиуса реверберации интенсивность отраженных сигналов превышает прямой сигнал и в условиях тихой акустической помехи(20 – 30 дБ) дальность действия может даже превышать 10 м. В шумном помещении с уровнем акустической помехи свыше 55 дБ дальность действия не превысит 2 м.
2. Особенности применения направленных микрофонов
Решить задачу дистанционного приема или улучшения качества акустической информации в системах видеонаблюдения и аудиорегистраторов могут направленные микрофоны (НМ). Но они пока не нашли широкого применения по причине высокой стоимости, отсутствия правильной оценки возможности расположения, применения НМ в условиях реальной акустической обстановки, неопределенных требований к их техническим характеристикам для использования в конкретных условиях эксплуатации. В работах [1,2] также рассмотрена возможность применения НМ для дистанционного приема акустической информации. Эффективность приема сигналов НМ также определяется отношением С/Ш на выходе микрофона. Поэтому одними из важнейших характеристик НМ, определяющими С/Ш в условиях акустических помех, являются характеристика диаграммы направленности (ДН) и индекс направленности (DI), уровень собственных электрических шумов приведенных ко входу.
А)
В условиях открытого пространства (улица, парковая зона) акустическая помеха в дальней зоне НМ представляет собой сосредоточенную точечную или линейную. По этой причине основной характеристикой здесь является ДН. Помеха существует преимущественно в горизонтальной плоскости. Отношение С/Ш будет определяться тем, что сигнал находится в главном лепестке ДН, а помеха вне главного лепестка. В этом случае предпочтительным является применение НМ с диаграммой направленности, имеющей минимальную ширину ДН и малый уровень боковых лепестков ДН.
Таким образом, дальность действия, по сравнению с ненаправленным микрофоном, может быть увеличена от нескольких раз до десятка раз (там, где единственная помеха попадает в боковой лепесток ДН с уровнем -20дБ). Все зависит от положения источников помех относительно ДН. У НМ электрические шумы также могут ограничивать дальность действия при условиях тихой акустической обстановки или когда ДН идеально вырезает акустическую помеху.
В случае тяжелой акустической обстановки, когда акустическая помеха изотропна, т.е. большое количество источников помехи распределены равномерно вокруг НМ, выигрыш в дальности действия относительно ненаправленного определяется увеличением отношения С/Ш на величину DI.
Рис. 1 – Зависимость слоговой разборчивости S от отношения С/Ш
На рис.1 приведен пример зависимости слоговой разборчивости S % от отношения С/Ш дБ. На графике приведена кривая 1 для ненаправленного микрофона и кривая 2 для НМ, имеющего DI = 10 дБ в условиях изотропной помехи (или в случае «вырезания» ДН помехи в открытом пространстве на 10 дБ). На рис.1 можно выделить три зоны для НМ.
В зоне 1 НМ и ненаправленный микрофон находятся «глубоко» под акустической помехой и они одинаково неэффективны.
В зоне 2 обеспечивается выигрыш НМ относительно ненаправленного микрофона. Эта зона является рабочей для НМ и она начинается с отрицательных отношений С/Ш, по сравнению с началом этой зоны у ненаправленного микрофона с 0 дБ.
Зона 3 характеризуется примерно 90-100% разборчивостью, где максимальная эффективность микрофонов может быть одинакова, только начало этой зоны наступает раньше у НМ. Эта зависимость хорошо иллюстрирует сложности, возникающие при оценке эффективности работы микрофонов и их возможностей.
Есть ситуации, где не один из типов микрофонов неэффективен и наоборот, где они все одинаково эффективны и отличия минимальны. Спектр помехи обычно носит спадающий к высоким частотам характер 6-12 дБ/октаву.
Рис. 2 – Возможное расположение НМ в открытом пространстве случай 1
Рис. 3 – Возможное расположение НМ в открытом пространстве случай 2
Применение того или иного типа НМ зависит от возможного расположения источников акустических помех. На рис 2, 3 показан вид на рекомендуемое взаимное расположение камеры с НМ типа линейной решетки с ДН по оси (осевой НМ), источников помехи и полезного сигнала. При таком положении осевой НМ расположен сверху и за счет симметричной ДН (в горизонтальной и вертикальной плоскости), источники помех не попадают в главный лепесток ДН.
Б)
В условиях помещений характер акустической помехи более сложный. Пространственный характер помехи в реверберирующем помещении близок к изотропному. Помеха обычно распределена в 2-х плоскостях. Помимо прямого поля сигнала и помех будут существовать сигналы отраженные от стен и потолка, так называемые реверберационные помехи от точечных источников, создающие диффузное поле помехи на расстоянии больше радиуса реверберации помещения. При этом традиционное понятие радиуса реверберации (расстояние, где интенсивность прямого сигнала и отраженных равна) помещения строго говоря определено для ненаправленного приемника. Для приемника обладающего направленными свойствами эта характеристика является очевидно другой. Радиус реверберации помещения при применении НМ увеличивается на величину индекса направленности DI. Это означает, что при применении в помещении НМ до расстояний радиуса реверберации, обеспечиваемого НМ, для источников помех на этих расстояниях отношение С/Ш будет определяться тем, что сигнал находится в главном лепестке ДН, а помеха вне главного лепестка. На расстояниях больше радиуса реверберации, считая поле помех изотропным, отношение С/Ш будет определяться индексом направленности. Таким образом, накладываются условия определяющие эффективность применения НМ в системах видеонаблюдения в помеховых условиях помещений. НМ должен иметь ДН, обеспечивающую охват заданной зоны, таким образом чтобы источники помех не находились в этой зоне. НМ должен иметь высокий индекс направленности, чтобы обеспечивать подавление помехи в дальней зоне – далее радиуса реверберации помещения. В больших помещениях радиус реверберации для НМ может превышать 5 – 7м. Индекс направленности таких микрофонов должен превышать 9 – 12 дБ, тогда дальность действия в условиях изотропной помехи вырастет в 3 – 4 раза по сравнению с ненаправленным микрофоном.
Рис. 4 – Возможное расположение НМ в помещении
На рис. 4 приведен пример типового места установки НМ. Помещения могут быть тихими – интегральный уровень акустической помехи 30 – 35 дБ и шумные – где уровень от 55 дБ и выше. Спектр помехи в помещениях обычно носит спадающий к высоким частотам характер 3 – 6 дБ/октаву.
3. Выбор варианта возможного применения ненаправленных и направленных микрофонов для систем видеонаблюдения и регистрации акустических сигналов.
Ненаправленные микрофоны не во всех случаях могут обеспечить дальность действия, совпадающую с дальностью видео. В этих случаях целесообразно оценить возможность применения НМ.
С учетом вышеизложенного, выбор между возможностями применения ненаправленного и НМ должен проводиться начиная с анализа акустической помеховой обстановки и возможного места установки микрофона.
В случае тихой помеховой обстановки и возможности близкого размещения микрофона от источника полезного сигнала, предпочтение можно отдать ненаправленным микрофонам, а НМ может быть избыточными (зона 3 на рис.1).
Применение НМ может быть наиболее эффективным в тех местах, где невозможно близкое размещение ненаправленного микрофона, но при этом также необходимо чтобы, по условиям помеховой обстановки и возможностей помехозащищенности НМ, соотношение С/Ш находилось в пределах зоны 2 рис.1. Здесь НМ будет практически выигрывать в разборчивости и дальности по сравнению с обычным микрофоном. В условиях помещений кроме того НМ устраняет влияние реверберационной помехи.
При нахождении источника помех в главном лепестке ДН у НМ эффективность приема полезного сигнала может быть одинакова, при сравнении с ненаправленным микрофоном.
При отношениях С/Ш в зоне 1 все типы микрофонов неэффективны. Иллюстрация эффективности от отношения С/Ш на рис.1 является упрощенным примером. В реальной ситуации все сложнее и зависит от множества факторов: характеристик НМ, помехи (уровня, спектра, направления прихода помехи, геометрии пространства, наличия отражающих поверхностей, неоднородности среды и т.п.) вокруг НМ.
Также при выборе типа НМ и микрофона следует обратить внимание на их стойкость к внешним воздействиям, который обычно указывается как класс защиты.
Это в большей мере относится к микрофонам, предназначенным для эксплуатации в условиях улицы. Не все микрофоны и усилители к ним могут обеспечивать работоспособность при температуре ниже -10°С в условиях повышенной влажности, воздействии прямых осадков, воздействии ветра.
Важным условием для получения качественной аудиоинформации, без потерь, является кодек для сжатия аудиосигнала применяемый в канале звукозаписи. Частота оцифровки 16 бит и битрейт не ниже 64 кбит/c являются необходимыми условиями применения качественных микрофонов. При использовании телефонных кодеков с низкой разрядностью и с низким битрейтом можно не применять качественные микрофоны, т.к. тракт передачи сигнала будет давать большие потери, которые зависят от С/Ш на выходе микрофона и потери значительно возрастают при малых отношениях С/Ш. Кроме того тракт приема акустических сигналов должен быть линейным и не иметь АРУ и компрессоров, так как в условиях помех их применение губительно для качества информации
Существующие микрофоны осевой направленности известных фирм, предназначены для художественной передачи звуковой картины и не совсем подходят для применения в системах видеонаблюдения, так как имеют равномерную АЧХ в широком диапазоне частот, в низкочастотной области ДН у них соответствует характеристикам микрофона градиента давления и только в области частот выше 4 кГц проявляются свойства интерференционного микрофона. Предлагаемые нами НМ микрофоны имеют оптимальный диапазон частот, необходимый для приема акустической информации в условиях реальных помех, а также оптимизированную диаграмму направленности. С максимально возможным индексом направленности для данной апертуры.
Список литературы