Подписаться

Калибровка измерительного микрофона

Последняя правка сделана 2021-05-29 13:14:52 Править

Для проведения научных измерений с помощью микрофона его точная чувствительность должно быть известно (в вольт на паскаль ). Поскольку это может измениться в течение срока службы устройства, необходимо регулярно калибровать измерительные микрофоны. Эту услугу предлагают некоторые производители микрофонов и независимые испытательные лаборатории. Калибровка микрофона сертифицированными лабораториями должна в конечном итоге быть прослеживаемой до первичных стандартов a (Национальный) измерительный институт, подписавший этот документ. Сюда могут входить Национальная физическая лаборатория в Великобритании, PTB в Германии, NIST в США и Национальный институт измерений в Австралии, где калибровка взаимности (см. ниже) является международно признанным средством реализации первичного стандарта. Лабораторные стандартные микрофоны, откалиброванные с помощью этого метода, в свою очередь, используются для калибровки других микрофонов с использованием методов сравнительной калибровки («вторичная калибровка»), сопоставляя выход «тестового» микрофона с выходным сигналом эталонного лабораторного стандартного микрофона.

Чувствительность микрофона зависит от частоты (а также от других факторов, таких как условия окружающей среды), и поэтому обычно записывается как несколько значений чувствительности, каждое для определенной полосы частот (см. частотный спектр ). Чувствительность микрофона также может зависеть от природы звукового поля, которому он подвергается. По этой причине микрофоны часто калибруются более чем в одном звуковом поле, например, в поле давления и в свободном поле. В зависимости от области применения измерительные микрофоны необходимо периодически проверять (обычно каждый год или несколько месяцев) и после любого потенциально опасного события, например падения или воздействия звука, превышающего рабочий диапазон устройства.

Калибровка взаимности

Калибровка взаимности в настоящее время является предпочтительным первичным эталоном для калибровки измерительных микрофонов. Этот метод использует взаимную природу определенных механизмов преобразования, таких как принцип электростатического преобразователя, используемый в конденсаторных измерительных микрофонах. Чтобы выполнить калибровку взаимности, три некалиброванных микрофона i {\ displaystyle i}i , j {\ displaystyle j}j и k {\ displaystyle k}k используются. Микрофоны i {\ displaystyle i}i и j {\ displaystyle j}j размещены друг напротив друга с хорошо известным акустическим соединителем между их диафрагмами, что позволяет легко моделировать акустический передаточный импеданс Z ac {\ displaystyle Z_ {ac}}Z _ {{ac}} . Затем на один из микрофонов подается ток I i {\ displaystyle I_ {i}}I_ {i} , который действует как источник звука, а другой микрофон реагирует на давление, создаваемое в соединителе, создавая выходное напряжение U j {\ displaystyle U_ {j}}U_ {j} , приводящее к электрическому передаточному сопротивлению Z ij {\ displaystyle Z_ {ij}}Z_ {ij} . При условии, что микрофоны имеют обратное поведение, что означает, что чувствительность холостого хода в В / Па в качестве приемника такая же, как чувствительность в м3 / с / А в качестве передатчика, можно показать, что произведение коэффициентов передачи M i {\ displaystyle M_ {i}}M_{i}, M j {\ displaystyle M_ {j}}M_j , а акустический передаточный импеданс равен электрическому передаточному сопротивлению.

Z ij = U J I i = M i Z ac M J {\ displaystyle Z_ {ij} = {\ frac {U_ {j}} {I_ {i}}} = M_ {i} \; Z_ { ac} \; M_ {j}}Z _ {{ij}} = {\ frac {U_ {j}} {I_ {i}}} = M_ {i} \; Z _ {{ac }} \; M_ {j}

После определения произведения коэффициентов передачи для одной пары микрофонов процесс повторяется с двумя другими возможными попарными комбинациями ik {\ displaystyle ik}ik и jk {\ displaystyle jk}jk . Затем набор из трех измерений позволяет определить коэффициент передачи отдельного микрофона путем решения трех одновременных уравнений.

M i = 1 Z ac Z ij Z ik Z jk {\ displaystyle M_ {i} = {\ sqrt {{\ frac {1} {Z_ {ac}}} {\ frac {Z_ {ij} Z_ { ik}} {Z_ {jk}}}}}}M_ {i} = {\ sqrt {{\ frac { 1} {Z _ {{ac}}}} {\ frac {Z _ {{ij}} Z _ {{ik}}} {Z _ {{jk}}}}}}

Электрический передаточный импеданс определяется во время процедуры калибровки путем измерения тока и напряжения, а акустический передаточный импеданс зависит от акустического соединителя.

Z ac = p Q = F v S 2 {\ displaystyle Z_ {ac} = {\ frac {p} {Q}} = {\ frac {F} {vS ^ {2}}}}Z _ {{ac}} = {\ frac {p} {Q}} = {\ frac {F} {vS ^ {2}}}

Обычно используемые акустические соединители - это свободное поле, диффузное поле и камера сжатия. Для условий свободного поля между двумя микрофонами можно рассчитать звуковое давление в дальней зоне, и из этого следует:

Z ac, free = ρ 0 ω 4 π re - m 2 re - j (kr - π 2) {\ displaystyle Z_ {ac, \, {\ text {free}}} = {\ frac {\ rho _ {0} \ omega} {4 \ pi r}} e ^ {- {\ frac {m} {2}} r } e ^ {- j (kr - {\ frac {\ pi} {2}})}}{\ displaystyle Z_ {ac, \, {\ text {free}}} = {\ frac { \ rho _ {0} \ omega} {4 \ pi r}} e ^ {- {\ frac {m} {2}} r} e ^ {- j (kr - {\ frac {\ pi} {2}) })}}

где r {\ displaystyle r}r - расстояние между микрофонами. Для условий диффузного поля следует

Z ac, diff = ρ 0 ω π A = ρ 0 ω 4 π dc {\ displaystyle Z_ {ac, \, {\ text {diff}}} = {\ frac {\ rho _ {0} \ omega} {\ sqrt {\ pi A}}} = {\ frac {\ rho _ {0} \ omega} {4 \ pi d_ {c}}}}{\ displaystyle Z_ {ac, \, {\ text {diff}}} = {\ frac {\ rho _ {0} \ omega} {\ sqrt {\ pi A}}} = {\ frac {\ rho _ {0} \ omega} {4 \ pi d_ {c}}}}

где A { \ displaystyle A}A - эквивалентная площадь поглощения, а dc {\ displaystyle d_ {c}}d_ {c} - критическое расстояние для реверберации. Для условий компрессионного развала следует

Z ac, comp = ρ 0 c 2 j ω V 0 {\ displaystyle Z_ {ac, \, {\ text {comp}}} = {\ frac {\ rho _ {0} c ^ {2}} {j \ omega V_ {0}}}}{\ displaystyle Z_ {ac, \, {\ text {comp}}} = {\ frac {\ rho _ {0} c ^ {2}} {j \ omega V_ {0}}}}

где V 0 {\ displaystyle V_ {0}}V_ {0} - объем воздуха в камере.

Метод обеспечивает измерение чувствительности микрофона без необходимости сравнения с другим ранее откалиброванным микрофоном, а вместо этого прослеживается до эталонных электрических величин, таких как вольт и Ом., а также длина, масса и время. Хотя данный откалиброванный микрофон часто калибровался другими (вторичными) методами, все можно проследить (посредством процесса распространения ) до микрофона, откалиброванного с использованием метода взаимности в Национальном институте измерений. Калибровка взаимности - это специализированный процесс, и, поскольку он составляет основу первичного эталона звукового давления, многие национальные измерительные институты вложили значительные исследовательские усилия в совершенствование метода и разработку средств калибровки. Система также коммерчески доступна от Brüel Kjr.

Для акустики в воздухе метод взаимности в настоящее время является наиболее точным методом калибровки микрофона (т.е. имеет наименьшую неопределенность измерения ). Свободное поле Калибровка взаимности (для получения отклика в свободном поле, в отличие от отклика микрофона на давление) следует тем же принципам и примерно так же, как калибровка взаимности давления, но на практике это намного сложнее реализовать. По существу, обычно выполняется калибровка взаимности в акустическом ответвителе, а затем применяется коррекция, если микрофон должен использоваться в условиях свободного поля; такие поправки стандартизированы для лабораторных стандартных микрофонов (IEC / TS 61094-7) и обычно доступны от производителей большинства распространенных типов микрофонов.

Калибровка с использованием поршневых телефонов и калибраторов звука

A Поршневой телефон - это акустический калибратор (источник звука), в котором используется замкнутый соединительный объем для создания точного звукового давления для калибровки измерительных микрофонов. Принцип основан на использовании поршня , который механически приводится в движение с заданной циклической скоростью, нагнетая фиксированный объем воздуха, с которым связан тестируемый микрофон. Предполагается, что воздух сжимается адиабатически, и уровень звукового давления в камере потенциально может быть рассчитан из внутренних физических размеров устройства и адиабатического газовый закон, который требует, чтобы PVγ была постоянной, где P - давление в камере, V - объем камеры, а γ - отношение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении к его удельной теплоемкости при постоянной громкости. Поршневые телефоны в значительной степени зависят от давления окружающей среды (всегда требующего корректировки к условиям давления окружающей среды) и, как правило, предназначены только для воспроизведения низких частот (по практическим соображениям), обычно 250 Гц. Однако поршневые микрофоны могут быть очень точными и стабильными во времени.

Однако имеющиеся в продаже поршневые телефоны не являются вычисляемыми устройствами и должны сами быть откалиброваны с использованием калиброванного микрофона, чтобы результаты можно было отслеживать; хотя обычно очень стабильный с течением времени, будут небольшие различия в уровне звукового давления, создаваемого разными поршневыми наушниками. Поскольку их выходная мощность также зависит от объема камеры (объема сопряжения), различия в форме и объеме нагрузки между различными моделями микрофона будут влиять на результирующий уровень звукового давления, требуя соответствующей калибровки поршневого телефона.

Звуковые калибраторы используются таким же образом, как и поршневые телефоны, обеспечивая известное поле звукового давления в полости, к которой подключен тестовый микрофон. Звуковые калибраторы отличаются от поршневых телефонов тем, что они работают электронно и используют источник с низким импедансом (электродинамический) для обеспечения высокой степени независимой от громкости работы. Кроме того, в современных устройствах часто используется механизм обратной связи для отслеживания и регулировки уровня звукового давления в полости так, чтобы он был постоянным независимо от размера полости / микрофона. Звуковые калибраторы обычно генерируют синусоидальный сигнал частотой 1 кГц; Выбрано 1 кГц, поскольку A-взвешенное SPL равно линейному уровню на 1 кГц. Звуковые калибраторы также следует регулярно калибровать в калибровочной лаборатории, аккредитованной на национальном уровне, для обеспечения прослеживаемости. Звуковые калибраторы имеют тенденцию быть менее точными, чем поршневые телефоны, но (номинально) не зависят от объема внутренней полости и давления окружающей среды.

Ссылки

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26