1. Ce este presiunea sunetului?

Variațiile de presiune, fie în aer, în apă, fie în alt mediu pe care urechea umană le poate detecta, sunt considerate sunete. Membrana timpanuluil uman transferă oscilațiile de presiune sau sunetul în semnale electrice pe care creierul le interpretează ca muzică, vorbire, zgomot și așa mai departe. Microfoanele sunt proiectate pentru a face același lucru. Apoi, puteți înregistra și analiza aceste semnale pentru a obține informații despre natura căii pe care sunetul a luat-o de la sursă la microfon. De exemplu, în încercările de zgomot, vibrații și duritate, inginerii sunt, de obicei, interesați să reducă sunetele nedorite, cum ar fi zgomotul pasagerilor de într-o experiență auto în timpul conducerii. Aceasta ar putea include sunete care sunt deasupra sau sub frecvențele pe care urechea umană le poate detecta sau amplitudini la frecvențe specifice de rezonanță. Aceste măsurători sunt importante pentru proiectanții care au nevoie să reducă zgomotul pentru a întruni standardele de emisii sau pentru a caracteriza performanța sau longevitatea unui dispozitiv.

Presiunea sonoră este cea mai comună măsurare efectuată, deoarece oamenii sunt expuși la sunet și pot detecta presiunea acustică. Măsurată în pascal (Pa), nivelul presiunii acustice reprezintă modul în care receptorul percepe sunetul. De asemenea, puteți determina puterea sonoră a unei surse. Măsurat în wați (W), nivelul de putere acustică reprezintă energia totală acustică radiată în toate direcțiile. Este independent de mediul înconjurător, incluzând camera, receptoarele sau distanța de la sursă. Puterea este o proprietate a sursei, în timp ce presiunea acustică depinde de mediul înconjurător, suprafețele de reflectare, distanța receptorului, sunetele ambientale ș.a.m.d.

2. Cum lucrează microfoanele?

Puteți alege dintre câteva modele diferite pentru microfoane, dar cele mai frecvente microfoane de instrumente sunt microfoanele condensator polarizate din exterior, microfoanele prepolarizate cu condensator electret și microfoanele piezoelectrice.

Figura 1. Un microfon este un traductor care convertește
undele acustice în semnale electrice.

Microfoane condensator

Un microfon condensator funcționează pe un design capacitiv. Acesta încorporează o diafragmă metalică întinsă care formează o placă a unui condensator. Un disc metalic plasat în apropierea diafragmei acționează ca o placă de spate. Când un câmp sonor excită diafragma, capacitatea dintre cele două plăci variază în funcție de variația presiunii acustice. O tensiune DC stabilă este aplicată plăcilor printr-o rezistență ridicată pentru a menține sarcinile electrice pe placă. Variația capacității generează o ieșire de curent alternativ proporțională cu presiunea acustică. Sarcina acestui condensator este generată fie de o tensiune externă de polarizare, fie de proprietățile materialului însuși, ca în cazul microfoanelor prepolarizate. Microfoanele polarizate din exterior au nevoie de 200 V de la o sursă externă de alimentare. Microfoanele prepolarizate sunt alimentate prin preamplificatoare IEPE care necesită o sursă de curent constant.

Figura 2. Cel mai obișnuit microfon de instrumente, un microfon condensator, funcționează pe un model capacitiv.

Microfoane piezoelectrice

Microfoanele piezoelectrice utilizează o structură de cristal pentru a genera tensiune pe placa de spate. Multe microfoane piezoelectrice utilizează aceeași condiționare a semnalului ca și accelerometrele și pot utiliza condiționarea semnalului IEPE pentru a furniza tensiunea de polarizare. Deși aceste microfoane de tip senzor au nivele scăzute de sensibilitate, ele sunt durabile și capabile să măsoare game de presiune cu amplitudini mari. Dimpotrivă, nivelul zgomotului la podea pe acest tip de microfon este în general ridicat. Acest design este potrivit pentru aplicațiile de măsurare a presiunii de șoc și de explozie.

3. Cum se alege microfonul adecvat?

Câmp de răspuns

Trebuie să alegeți microfonul cel mai potrivit pentru tipul de câmp în care îl veți utiliza. Cele trei tipuri de microfon de măsurare sunt câmp liber, câmp de presiune și incidență aleatorie. Aceste microfoane funcționează similar la frecvențe mai mici, dar în mod diferit la frecvențe mai mari.

Un microfon cu câmp liber măsoară presiunea sonoră dintr-o singură sursă direct la diafragma microfonului. Măsoară presiunea sonoră așa cum a existat înainte ca microfonul să fie introdus în câmpul sonor. Aceste microfoane funcționează cel mai bine în zone deschise fără suprafețe tari sau reflectorizante. Camerele fără reflexii sau zonele deschise mai mari sunt ideale pentru microfoanele cu câmp liber.

Figura 3. Microfon de câmp liber

Un microfon de câmp de presiune este proiectat pentru a măsura presiunea sonoră în fața diafragmei. Are aceeași magnitudine și fază în orice poziție din câmp. Acesta se găsește de obicei într-o incintă sau cavitate, care este mică în comparație cu lungimea de undă. Exemplele de aplicații ale microfonului în câmpul de presiune includ testarea presiunii exercitate asupra pereților, pe aripile avionului sau a structurilor interioare, cum ar fi tuburi, carcase sau cavități.

Figura 4. Microfon de câmp de presiune

În multe situații, sunetul nu călătorește dintr-o singură sursă. Microfoanele cu incidență aleatorie sau cu câmp-difuz răspund uniform la sunetele care sosesc simultan din toate unghiurile. Utilizați acest tip de microfon atunci când efectuați măsurători de sunet într-o biserică sau într-o zonă cu pereți tari, reflectorizanți. Cu toate acestea, pentru majoritatea microfoanelor, răspunsurile la presiune și la incidența aleatorie sunt similare, astfel încât microfoanele de câmp de presiune sunt adesea folosite pentru măsurători cu incidență-aleatorie.

Figura 5. Microfon cu incidență aleatoare

Gama dinamică

Criteriul principal pentru descrierea sunetului se bazează pe amplitudinea fluctuațiilor presiunii acustice. Cea mai mică amplitudine pe care o ureche umană sănătoasă o poate detecta este a 20 milioană parte dintr-un pascal (20 μPa). Deoarece numerele de presiune reprezentate prin pascali sunt în general mici și nu sunt ușor de gestionat, a fost dezvoltată o altă scală mai des folosită, scara decibel (dB). Această scară logaritmică se potrivește mai mult cu reacțiile de răspuns ale urechii umane la fluctuațiile de presiune.

Producătorii specifică nivelul maxim de decibeli pe baza designului și a caracteristicilor fizice ale microfonului. Nivelul maxim de dB specificat se referă la punctul în care diafragma se apropie de placa de spate sau unde distorsiunea armonică totală (THD) atinge o valoare specificată, de obicei 3% THD. Nivelul maxim de decibeli pe care microfonul îl emite într-o anumită aplicație depinde de tensiunea furnizată și de sensibilitatea particulară a microfonului. Înainte de a putea calcula puterea maximă pentru un microfon utilizând un preamplificator specific și tensiunea de vârf corespunzătoare, trebuie mai întâi să calculați presiunea în pascali pe care microfonul o poate accepta. Puteți calcula valoarea de presiune folosind următoarea formulă:

P = Tensiune/ Sensibilitate

unde P = pascali (Pa) și Tensiune este tensiunea de vârf a ieșirii preamplificatorului.

După determinarea nivelului maxim de presiune pe care microfonul îl poate detecta la tensiunea sa de vârf, puteți converti această valoare la decibeli (dB) folosind următoarea scală logaritmică:

dB = 20 log (P/Po)

unde P = presiune în pascal
Po = presiunea de referință în pascali (constantă = 0,002 Pa)

Această formulă oferă gama maximă pe care un microfon, în combinație cu un preamplificator specific, o poate măsura. Pentru nivelul de zgomot redus sau cantitatea minimă de presiune necesară, trebuie să revizuiți calitatea zgomotului termic al cartușului (CTN) al microfonului. Specificația CTN oferă cel mai mic nivel măsurabil de presiune acustică care poate fi detectat deasupra zgomotului electric inerent în microfon. Figura 6 arată reprezentarea tipică a nivelului de zgomot la frecvențe diferite pentru un microfon atunci când este utilizat împreună cu un preamplificator.

Figura 6. Nivelul inerent al zgomotului este cel mai mare la capacitățile superioare și inferioare ale microfonului.

Când selectați un microfon, trebuie să confirmați că nivelurile de presiune pe care le testați se situează între CTN-ul microfonului și nivelul de decibeli maxim nominal al microfonului. În general, cu cât diametrul microfonului este mai mic, cu atât este mai mare nivelul în decibeli de vârf. Microfoanele cu diametru mai mare au de obicei CTN inferior, deci sunt recomandate pentru măsurătorile de decibeli de gamă joasă.

Răspunsul în frecvență

După ce luați în considerare tipul de răspuns al câmpului de microfon și gama dinamică de care aveți nevoie, consultați fișa cu specificații a microfonului pentru a găsi gama de frecvență utilizabilă (Hz). Microfoanele cu diametru mai mic au de obicei o capacitate superioară de frecvențe mai înalte. Dimpotrivă, microfoanele cu diametru mai mare sunt mai sensibile și mai potrivite pentru detectarea frecvențelor mai joase.

Producătorii plasează o toleranță tipică de ± 2 dB la specificațiile de frecvență. Când comparați microfoanele, asigurați-vă că verificați gama de frecvență și toleranța asociată cu acea gamă de frecvențe specifice. Dacă o aplicație nu este critică, puteți îmbunătăți gama de frecvență utilizabilă pentru acel microfon dacă sunteți dispus să măriți toleranța permisă în decibeli. Puteți consulta producătorul sau consultați fișa de calibrare pentru un anumit microfon pentru a determina intervalul real de frecvență utilizabil pentru toleranțele specifice în decibeli.

Tipul de polarizare

Microfoanele prepolarizate tradițional extern și cele prepolarizate moderne funcționează bine pentru majoritatea aplicațiilor, dar au unele diferențe. Microfoanele polarizate extern sunt recomandate pentru temperaturi ridicate (120° C - 150°C), deoarece nivelul de sensibilitate este mai consistent în acest interval. Microfoanele prepolarizate tind să fie mai coerente în condiții umede. Variațiile bruște ale temperaturii care au ca rezultat condensarea pe componente interne pot scurtcircuita microfoanele polarizate extern.

Deoarece microfoanele polarizate extern necesită o sursă de alimentare de 200 V separată, vă sunt limitate la cablarea cu 7 conductori cu conectori LEMO în această configurație. Noile microfoane prepolarizate au devenit mai populare deoarece sunt alimentate de o sursă de curent constant de 2-20 mA, ușor de utilizat. Cu acest design, puteți utiliza cabluri coaxiale standard cu conectori BNC sau 10-32 pentru alimentarea curentă și semnalul către dispozitivul de citire.

Gama de temperatură

Sensibilitatea microfonului scade când temperatura atinge specificațiile maxime ale microfonului. Trebuie să știți nu numai temperatura de funcționare, ci și temperatura de depozitare a microfonului. Operarea și/sau stocarea unui microfon în condiții extreme poate afecta negativ și poate crește necesitățile de calibrare. În multe cazuri, preamplificatorul necesar poate fi factorul limitator pentru intervalul de temperatură de funcționare. Deși majoritatea microfoanelor pot funcționa la 120°C fără nici o pierdere de sensibilitate, preamplificatoarele necesare pentru aceste microfoane funcționează de obicei în gama de la 60°C la 80°C.

4. Condiționarea de semnal pentru microfon

Când pregătiți un microfon care trebuie măsurat corespunzător de un dispozitiv DAQ, trebuie să aveți în vedere următoarele aspecte pentru a vă asigura că îndepliniți toate cerințele de condiționare a semnalului:

• Amplificare pentru a crește rezoluția măsurătorilor și pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot

• Excitația de curent pentru alimentarea preamplificatoarelor în senzorii IEPE

• Cuplarea AC pentru a elimina offset-ul DC și pentru a crește rezoluția și a profita de întreaga gamă a dispozitivului de intrare

• Filtrare pentru eliminarea zgomotului extern, de înaltă frecvență

• Împământarea adecvată pentru a elimina zgomotul din circulația curentului între diferitele potențiale de masă

• Gama dinamică pentru a măsura domeniul de amplitudine maxim al microfonului

Pentru a afla mai multe despre cum să condiționați, să achiziționați, să analizați și să afișați măsurătorile pentru microfon, descărcați

Ghidul inginerului pentru măsurători precise ale senzorului.

Magazin hardware NI de măsurare a sunetului

5. Referințe

Microphone handbook.pdf