Электронные системы охраны

ГЛАВА 18

МИКРОФОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Приставка "микро" (от греческого "микрос" - маленький) слишком часто и не всегда к месту используется в языке радиоэлектроники. Ее наличие в названии прибора вполне может ничего не дать в понимании его функций. Однако слово "микрофон" столь часто употребляется в разговорах о радио, телевидении, телефонах и громкоговорительных системах, что вопросов о его значении просто не возникает. В рабочих целях мы можем определить термин "микрофон" так: это мембранное устройство, служащее для превращения акустической и механической энергии в электрические сигналы, которые могут быть усилены и переданы по проводам в любое необходимое место.

Сейсмические датчики

Ни микрофоны, ни сейсмические датчики изначально не предназначались для систем сигнализации. Последние, например, создавались как особый тип микрофона для геологической разведки буровых скважин. Эти устройства должны были иметь большую прочность в конструкции, чтобы выстоять против ударной волны зондирующего взрыва на поверхности и большую чувствительность, чтобы улавливать легчайшее эхо взрыва в глубине земли и его колебания под влиянием залежей ископаемых.

Впервые они были применены службами безопасности при охране наружных периметров и пользовались большой популярностью. На оградах они хорошо различали звуки сверху и снизу, но нечетко реагировали на боковые сигналы, так как не обладали способностью подавлять шум ветра. По мере накопления практического опыта стало очевидно, что они слишком чувствительны для использования в системах сигнализации и перегружают электронику обилием правильных, но нежелательных сигналов. Это свело на нет такое полезное качество сейсмических датчиков, как различающая способность.

Наиболее широко использовались ранние модели сейсмических датчиков, выпускавшиеся французской фирмой "Sercel". Позже на рынке появились варианты приборов этого типа, различающая способность которых могла меняться соответственно характеру окружающей среды. Кстати, подобная ситуация достаточно часто встречается в мире систем сигнализации. Особенности конструкции или сам базовый физический принцип дают чувствительность детектора, слишком высокую для конкретной ситуации, и ее приходится уменьшать, чтобы достигнуть приемлемого сочетания точного обнаружения и процента ложных срабатываний.

Фирма "Sercel" разработала так же очень интересный способ подачи сигнала об опасности на центральный пульт службы безопасности объекта. Каждой зоне прослушивания соответствовала вертикальная "термометрическая" шкала, светящийся столбик которой двигался в зависимости от интенсивности сигнала. Это позволяло обнаружить направление приближения потенциального злоумышленника еще до того, как мощность звука переходила за критическую отметку.

Пьезоэлектрические датчики

Подарком природы стоило бы считать то, что некоторые минералы, например, кварц, при сжатии вырабатывают электричество. Зримые аналогии помогут нам понять использование пьезоэлектриков. Представьте, что на полированной поверхности стола лежит маленькая деревянная или пластиковая игральная " кость". Если мы нажмем на одну из ее сторон, она сдвинется без видимого сопротивления. Если нажать сверху, кость не сдвинется, но, очевидно, слегка сплющится. Теперь мысленно прижмем ту же " кость" на внутреннюю поверхность витрины магазина в любое место и с силой ударим по окну снаружи. Стекло, может, и не сломается, но прогнется. На " кость" это никак не подействует. Но если ее "зажать" между окном и чемто твердым, препятствующим движению стекла, она сомнется.

Специально обработанный кусочек кварца на месте косточки выработает при этом электрический ток. Этот сигнал уже может быть использован в системе сигнализации.

Преимущество такой системы в том, что ток возникает только при сжатии и отпускании кристалла, а напряжение растет пропорционально нажиму. Другими словами, оно будет зависеть от ускорения. В физике эта величина обозначается буквой "а", отсюда и названия запатентованных приборов типа "а-детектор".

На практике вместо кварца используются синтетические материалы типа титанита бария. Этот тот же сплав, который упоминался в качестве излучателя в ультразвуковых датчиках в главе 15.

Оконные пьезодатчики

В предыдущем разделе речь шла об ударе по стеклу витрины. Знать о подобных попытках полезно, но чаще всего это - ложные тревоги. Гораздо важнее заметить уже разбитое стекло. Сделать это можно при помощи все той же чувствительности пьезодетекторов к ускорению. Когда стекло бьется, оно издает сложную гамму звуков (в том числе и в ультразвуковом диапазоне). Происходит это из-за быстрых и медленных изгибов стекла в момент удара. В таких условиях пьезоэлектрические устройства вырабатывают ток максимального напряжения. Достижение этого пика однозначно сигнализирует о реальной опасности.

Пьезодатчики для охраны стен и оград

Благодаря высокой способности чувствительных к ускорению пьезоэлектрических материалов различать высоко- и низкочастотные сигналы, они весьма подходят для охраны. Большинство естественных колебаний этих преград - низкочастотные, а вот вибрация при попытке проникновения имеет высокую частоту.

Поскольку вырабатываемое напряжение прямо пропорционально ускорению, то можно перевернуть формулу и полюбопытствовать, какое смещение необходимо для каждой частоты колебаний, чтобы получить определенное напряжение. Такой подсчет даст нам величину различающей способности прибора.

Для получения напряжения требуется, к примеру, смещение на десятую долю дюйма при частоте в 10 гц. Согласно правилу прямой пропорции, то же напряжение будет получено при частоте в 100 гц смещением на сотую долю дюйма, а при 1000 гц - на тысячную. Реакция пьезоэлектрических детекторов на редкие сигналы, например, от разрезания проволочного ограждения, впечатляет. Но на самом деле этими свойствами пьезоэлектриков воспользовалось крайне мало фирм-производителей сигнализационного оборудования. И это - несмотря на сочетание в них всех преимуществ инерционных датчиков с бесконтактным срабатыванием.

Датчики на основе электретного кабеля

Английское выражение " прижаться ухом к земле" значит "быть осведомленным". Службы промышленной безопасности нуждаются в этом прежде всего. Специально для их нужд и был создан электретный микрофон-кабель (Патент США No 3 673 482). Так же, как сейсмический детектор и пьезоэлектрический микрофон, электретный кабель должен быть соединен с источником информации - землей, оградой, дорожным полотном и т.д.

А вот отличается он от своих собратьев тем, что передает в точности все, что "слышит". Вы помните, что пьезоэлектрические датчики, чувствительные к ускорению, почти не воспринимают низкие частоты (подобно инерционным ЭУ), а сейсмические детекторы, наоборот, тяготеют к низким частотам.

Мы уже убедились в том, что полезно, конечно, когда датчик фильтрует сигналы, уменьшая число ложных срабатываний, но хуже, когда он отсекает хоть один раз то, что указывает на реальную опасность. Электретный кабель "слышит" все, оставляя труд по сортировке сигналов на долю создателей электронной системы его обслуживания.

Если вы уже знакомы с использованием электретного микрофона в громкоговорительных и радиовещательных устройствах, то могли бы предположить, что этому разделу место в главе 21 под подзаголовком "Устройства наведенного поля". Это верно, если бы эта книга была об электронной "начинке" систем сигнализации, но речь-то идет о прикладных применениях электроники. Ведь в тех случаях, когда прибор связан с нашей повседневной жизнью, для нас важнее сначала понять, что он делает, а уже потом - как он устроен.

Электрет - это диэлектрический материал конденсатора, предварительно заряженного на все время пользования путем подачи на диэлектрик высокого напряжения, близкого к пробивному для этого диэлектрика. Было открыто, что подобным свойством постоянно удерживать на себе электрический заряд обладают некоторые вещества из группы флюорэтиленов. Это открытие практически перечеркнуло использование старых микрофонов, требовавших подведения к ним высокого напряжения. Такое электрическое поле ведет себя подобно магнитному. Это отражено и в названии "Электрет", являющимся сочетанием английских слов "electric" (электрический) и "magnetic" (магнитный).