Калибровка измерительного микрофона

Чтобы провести научное измерение с помощью микрофона, необходимо знать его точную чувствительность (в вольтах 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 эталонов (национального) измерительного института, подписавшего соглашение о международном сотрудничестве по аккредитации лабораторий. Сюда могут входить Национальная физическая лаборатория в Великобритании, PTB в Германии, NIST в США и Национальный институт измерений в Австралии, где взаимная калибровка (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»), сравнивая выходной сигнал «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. Спектр частот ). 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 в настоящее время является предпочтительным основным стандартом для калибровки измерительных микрофонов. В этом методе используется взаимная природа определенных механизмов преобразования, таких как принцип электростатического преобразователя, используемый в конденсаторных измерительных микрофонах. Для того, чтобы выполнить калибровку взаимности, три Некалиброванных микрофоны, и используются. Микрофоны и расположены напротив друг друга с хорошо известным акустическим соединителем между их диафрагмами, что позволяет легко моделировать акустический передаточный импеданс. Затем один из микрофонов приводится в действие током, который действует как источник звука, а другой реагирует на давление, создаваемое в соединителе, создавая выходное напряжение, приводящее к электрическому импедансу передачи. 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,, а акустический передаточный импеданс равен электрическому передаточному сопротивлению. ${\ displaystyle i}$${\ displaystyle j}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle j}$ ${\ displaystyle Z_ {ac}}$${\ displaystyle I_ {i}}$${\ displaystyle U_ {j}}$${\ displaystyle Z_ {ij}}$${\ displaystyle M_ {i}}$${\ displaystyle M_ {j}}$

${\ displaystyle Z_ {ij} = {\ frac {U_ {j}} {I_ {i}}} = M_ {i} \; Z_ {ac} \; M_ {j}}$

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

${\ displaystyle M_ {i} = {\ sqrt {{\ frac {1} {Z_ {ac}}} {\ frac {Z_ {ij} Z_ {ik}} {Z_ {jk}}}}}}$

Импеданс передачи электрического сигнала определяется во время процедуры калибровки путем измерения тока и напряжения, а сопротивление передачи звука зависит от акустического соединителя.

${\ displaystyle Z_ {ac} = {\ frac {p} {Q}} = {\ frac {F} {vS ^ {2}}}}$

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

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

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

${\ displaystyle Z_ {ac, \, {\ text {diff}}} = {\ frac {\ rho _ {0} \ omega} {\ sqrt {\ pi A}}} = {\ frac {\ rho _ { 0} \ omega} {4 \ pi d_ {c}}}}$

где - эквивалентная площадь поглощения и - критическое расстояние для реверберации. Для условий камеры сжатия следует ${\ displaystyle A}$${\ displaystyle d_ {c}}$

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

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

Этот метод обеспечивает измерение чувствительности микрофона без необходимости сравнения с другим ранее откалиброванным микрофоном, и вместо этого его можно проследить до эталонных электрических величин, таких как вольт и ом, а также длины, массы и времени. 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 amp; Kjr.

Для воздушной акустики метод взаимности в настоящее время является наиболее точным методом калибровки микрофона (т. Е. Имеет наименьшую погрешность измерения ). Калибровка взаимности в свободном поле (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 ее гораздо сложнее реализовать. Таким образом, 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.

Натора представляет собой акустический калибратор (источник звука), который использует замкнутый объем муфты для формирования точного звукового давления для калибровки измерительных микрофонов. Принцип основан на механическом приводе поршня в движение с заданной циклической скоростью, которое нагнетает фиксированный объем воздуха, к которому подключен тестируемый микрофон. Предполагается, что воздух сжимается адиабатически, и уровень звукового давления в камере потенциально может быть рассчитан на основе внутренних физических размеров устройства и закона адиабатического газа, который требует, чтобы PVγ был постоянным, где P - давление в камеры, V - объем камеры, а γ - отношение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении к его удельной теплоемкости при постоянном объеме. Поршневые микрофоны сильно зависят от давления окружающей среды (всегда требуется корректировка к условиям давления окружающей среды) и, как правило, предназначены только для воспроизведения низких частот (по практическим причинам), 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 сами должны быть откалиброваны с использованием калиброванного микрофона, чтобы результаты можно было отслеживать; хотя в целом очень стабильный во 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 так же, как и поршневые телефоны, обеспечивая известное поле звукового давления в полости, к которой подсоединен 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, современные устройства часто используют механизм обратной связи для отслеживания и регулировки уровня звукового давления в полости, чтобы он был постоянным независимо от размера полости / микрофона. Звуковые калибраторы обычно генерируют синусоидальный сигнал частотой 1 кГц; Выбрано 1 кГц, поскольку А-взвешенное УЗД равно линейному уровню на 1 кГц. Звуковые калибраторы также следует регулярно калибровать в калибровочной лаборатории, аккредитованной на национальном уровне, для обеспечения прослеживаемости. Звуковые калибраторы обычно менее точны, чем поршневые телефоны, но (номинально) не зависят от объема внутренней полости и давления окружающей среды.

• IEC 61094-2, издание 2. (20 февраля 2009 г.) «Измерительные микрофоны, часть 2». Стандарт МЭК на взаимную калибровку измерительных микрофонов по давлению
• IEC 61094-5, издание 1. (16 октября 2001 г.) «Измерительные микрофоны, часть 5». Стандарт МЭК для сравнительной калибровки измерительных микрофонов