Microfonul sonometrului

Microfoanele sunt prezente în aproape toate dispozitivele noastre electronice – de la telefoane mobile, PC-uri și difuzoare portabile, la televizor, tablete și ceasuri inteligente. În acest articol, vă prezentăm fizica microfoanelor special concepute pentru a fi utilizate în sistemele care cuantifică microfoanele de măsurare a sunetului.

Brüel & Kjær a dezvoltat și produs microfoane de măsurare high-end încă din 1945. Am lucrat neîntrerupt la cercetare și dezvoltare și la metodologia de calibrare pentru a asigura îmbunătățiri continue ale acurateței și performanței microfonului.

Astăzi, această abordare contribuie la un portofoliu larg de microfoane de măsurare care acoperă tot felul de aplicații, de la sisteme acustice de detecție seismică la măsurarea airbag-urilor și aplicații cu ultrasunete.

 

Fizica microfonului

Microfoanele de măsurare se bazează pe un principiu fizic foarte simplu: Capacitate.

Capacitatea unui microfon este invers proporțională cu distanța dintre placa posterioară (o placă rigidă) și diafragma (o folie de metal subțire, foarte tensionată). Atunci când este expus la presiunea sonoră, diafragma se deformează și se apropie sau se îndepărtează de placa posterioară, schimbând capacitatea sistemului. Aceste variații ale capacității sunt convertite în variație de tensiune. Majoritatea microfoanelor de măsurare se bazează pe acest principiu.

 

Diafragma microfonului

Microfoanele de măsurare au diametre de 1-, ½-, ¼- și 1/8 inch. Cu cât diafragma este mai mare, cu atât este mai puțin rigidă și este mai bine să detectați variații mai mici ale presiunii acustice. Pe de altă parte, dimensiunea diafragmei limitează detectarea frecvențelor cu lungimi de undă care sunt în același interval sau mai mari decât diafragma.

Deplasarea diafragmei pentru un microfon tipic ½ inch este doar în ordinea mărimii de 5 nanometri pentru excitația unui pascal. Pentru comparație, o diafragmă cu un diametru de dimensiunea planetei Pământ abia se va mișca cu 5 metri

 

ȘTIAȚI CĂ…

Diafragmele mari dau zgomot mai mic, în timp ce diafragmele mici permit frecvență ridicată. Microfoanele de dimensiuni mici permit caracteristici omnidirecționale mai bune la frecvențe înalte.

Lungimea de undă a unei unde sonore de 20 kHz (limita superioară a gamei audio) este de 1,7 cm. Aceasta este aproximativ lățimea degetului arătător

 

ȘTIAȚI CĂ…

Utilizarea unui microfon cu câmp liber într-un mediu cu câmp de presiune dă o eroare de aproape 9 dB în jur de 20 kHz.

 

Diagrama de răspuns în frecvență a microfonului.

 

Sensibilitate microfon

Sensibilitatea este tensiunea produsă de microfoane sub presiune sonoră definită. Este definit în V / Pa și este dependent de frecvență. Presiunea sonoră a unui pascal corespunde unui nivel de 94 dB SPL. De aceea majoritatea calibratoarelor de microfon (de exemplu calibratorul de sunet tip 4231) produc SPL de 94 dB sau 1 Pa.

Deoarece sensibilitatea este dependentă de frecvență, răspunsul de frecvență este definit ca o expresie a sensibilității în întreaga gamă de frecvențe. Aceasta este exprimată în general în decibeli în raport cu sensibilitatea de 250 Hz.

 

ȘTIAȚI CĂ…

Monitorizăm cu atenție sensibilitatea microfonului standard de laborator tip 4160 și tip 4180 din 1984. Sensibilitatea rămâne în intervalul ± 0,02 dB (aceasta înseamnă mai puțin de 0,2% modificări). Aceste două microfoane sunt utilizate în sistemele de calibrare din întreaga lume.

Diagrama de sensibilitate a microfonului care arată sensibilitatea microfoanelor standard de laborator de tip 4160 și de tip 4180 din 1984 până în 2018.

 

ȘTIAȚI CĂ…

Gama dinamică a unui microfon este adesea limitată de preamplificatorul de microfon.

De exemplu, un preamplificator CCLD (linie de curent constant) este proiectat pentru a furniza maxim 7 V vârf pentru frecvențe mai mici de 20 kHz. Acest lucru oferă maximum 134 dB SPL pentru o sensibilitate a microfonului de 50 mV / Pa. În acest caz, este posibil să se extindă limita superioară a gamei dinamice la 146 dB utilizând un preamplificator clasic.

 

Gama dinamică a microfonului

Gama dinamică a microfoanelor de măsurare (de exemplu, 16 dB – 143 dB) este domeniul în care microfonul acționează ca un traductor liniar perfect.

Primul număr este zgomotul inerent. Atât microfoanele cu condensator, cât și preamplificatoarele au un zgomot inerent cauzat, printre altele, de limitările electronice și de mișcările browniene.

Acest număr indică nivelul de presiune acustică care ar crea aceeași tensiune cu zgomotul generat chiar de microfon. Zgomotul este măsurat în banda de octavă a treia, ponderată A în domeniul auzului uman (între banda 22,4 Hz și 22,4 kHz), dacă nu se specifică nimic altceva. Al doilea număr este cel mai înalt nivel de presiune acustică măsurabil cu o distorsiune armonică totală mai mică de 3%.

 

Câmpul acustic al microfonului

Microfoanele de măsurare, prin dimensiunea și forma lor, influențează presiunea sonoră. Această influență, care depinde de tipul câmpului sonor, este luată în considerare în proiectarea fiecărui microfon, iar răspunsurile microfonului sunt optimizate pentru a compensa influența. Acest lucru ne permite să oferim întotdeauna un răspuns plat câmpului sonor ales.

Microfoanele de măsurare sunt împărțite în trei tipuri principale, fiecare tip optimizat pentru unul dintre cele trei tipuri principale de câmpuri sonore și este important să alegeți microfonul cel mai potrivit pentru câmpul sonor.

 

Câmp liber (Free-field)

Microfoanele de câmp liber sunt de obicei utilizate pentru măsurarea difuzoarelor sau a sunetului exterior.

 

ȘTIAȚI CĂ…

Microfonul cu câmp liber ½ inci de tip Brüel & Kjær 4191 are o gamă dinamică de la 20 dB la 162 dB (adică 142 dB).

Dacă convertim acest raport la distanță, măsurarea se va întinde de la un fir de păr la mai mult de trei turnuri Eiffel stivuite una peste alta.

 

 

 

ȘTIAȚI CĂ…

Microfonul cu câmp liber ½ inci de tip Brüel & Kjær 4191 are o gamă dinamică de la 20 dB la 162 dB (adică 142 dB).

Dacă convertim acest raport la distanță, măsurarea se va întinde de la grosimea unui fir de păr la mai mult de trei turnuri Eiffel asezate unul peste altul.

 

 

 

 

 

 

Pentru a efectua măsurători într-un câmp liber, total fără obiecte reflectante, măsurătorile trebuie făcute în aer liber în partea de sus a unui stâlp (sau echivalent) sau într-o cameră anecoică.

Într-o cameră anecoică, tavanul, podeaua și toți pereții sunt acoperiți de un material foarte absorbant, care elimină reflexiile. Astfel, nivelul presiunii acustice în orice direcție dată de la sursa de zgomot poate fi măsurat fără prezența unor reflexii interferente.

 

Câmp difuz (Diffuse-field)

Opusul unei camere anecoice este camera de reverberație în care toate suprafețele sunt făcute cât mai dure și reflectante posibil și unde nu există suprafețe paralele. Acest lucru provoacă un câmp difuz, deoarece toate undele sonore sosesc simultan din toate direcțiile cu probabilitate și nivel egale.

Câmpurile sonore cu o asemănare strânsă cu câmpul difuz pot fi realizate în medii precum clădirile cu pereți duri, unde există multe surse de sunet sau zgomot simultane, cum ar fi măsurători în cabină și în biserici.

Dacă nu sunteți sigur de câmpul sonor în care vă aflați, este mai bine să presupuneți că este difuz pentru a minimiza eroarea de măsurare. Microfoanele cu câmp difuz sunt de obicei utilizate pentru a măsura zgomotul interior al vehiculului sau acustica clădirilor.

 

Câmp de presiune (Pressure-field)

Un câmp de presiune este presiunea sonoră care are aceeași magnitudine și fază în orice poziție din câmp. Câmpurile sonore cu o asemănare strânsă cu câmpul de presiune pot fi realizate în cavități mici (mici în comparație cu lungimea de undă), cum ar fi urechile artificiale.

Microfoanele cu câmp de presiune sunt utilizate în mod obișnuit în cuplaje, tuneluri de vânt sau în măsurători încastrate.

 

Stabilitate microfon

Pentru a obține o stabilitate maximă, se folosesc materiale atent selectate, de înaltă calitate; se aplică un tratament termic controlat pentru a îmbătrâni artificial și a elibera orice tensiune din cartuș și se testează continuu fiecare microfon la fiecare etapă a procesului de producție.

Microfoanele sunt expuse la multiple procese de curățare în timpul fabricării într-o cameră curată de clasa 10. În camera curată din clasa 10, există mai puțin de 10 particule mai mari de 0,5 µm și mai puțin de 2 particule între 1 și 5 µm pe picior cub. Ca o comparație, aerul obișnuit al camerei este aproximativ „clasa 1 milion”.

Având în vedere distanța dintre placa posterioară și diafragmă fiind în general de aproximativ 20 µm, orice particule mai mari decât aceasta care sunt prezente în cavitate ar cauza probleme de stabilitate – mai ales atunci când apar condensări sau modificări de temperatură.