Úvodní strana » Blog » Přesné měřicí mikrofony

Přesné měřicí mikrofony

Mikrofony jsou přítomny téměř ve všech elektronických zařízeních – od mobilních telefonů, počítačů a přenosných reproduktorů až po televizory, tablety či chytré hodinky. Tento článek nabídne pohled do „nitra“ mikrofonů, které jsou speciálně navrženy pro použití v systémech kvantifikujících hluk: měřicí mikrofony.

Brüel & Kjær vyvíjí a vyrábí špičkové měřicí mikrofony od roku 1945. Nepřetržitá práce na výzkumu, vývoji a na metodologii kalibrace zajišťuje neustálé zlepšování přesnosti a výkonnosti mikrofonu. Tento přístup pomohl k vyprodukování širokého portfolia měřicích mikrofonů pokrývajících všechny druhy aplikací – od akustických seismických detekčních systémů po měření airbagů nebo také měření ultrazvuku.

Fyzika funguje!

Měřicí mikrofony jsou založeny na velmi jednoduchém fyzikálním principu: elektrická kapacita. Kapacita mikrofonu je nepřímo úměrná vzdálenosti mezi zadní deskou (tuhá deska) a membránou (tenká, vysoce napnutá kovová fólie). Při vystavení akustickému tlaku se membrána deformuje a pohybuje se ku nebo od zadní desky, čímž se mění kapacita tohoto systému. Změny kapacity jsou převedeny pomocí metod zpracování signálů na změny napětí. Většina měřicích mikrofonů je založena právě na tomto principu.

Membrána mikrofonu

Měřicí mikrofony jsou dodávány v průměrech 1, ½, ¼ a 1/8 palce. Čím větší je membrána, tím je méně tuhá a lépe detekuje menší změny akustického tlaku. Na druhou stranu velikost membrány omezuje detekce frekvencí s vlnovými délkami, které jsou stejné nebo větší než membrána.

 

1. DŮLEŽITÁ ZAJÍMAVOST

Membrány větších průměrů produkují nižší šum, zatímco membrány menších průměrů umožňují měřit vysoké frekvence. Mikrofony malých rozměrů navíc mají lepší všesměrové charakteristiky i na vysokých frekvencích.

Maximální výchylka membrány (diaphragm) typického ½palcového mikrofonu je pouze 5 nm (při 1Pa vybuzení). Pro srovnání – pokud by membrána měla průměr planety Země, maximální výchylka by byla sotva 5 m. Zadní deska je označována jako Backplate.

Vlnová délka 20kHz tónu (cca nejvyšší slyšitelný tón) je 1,7 cm, což je přibližně šířka ukazováčku.

 

VĚDĚLI JSTE, ŽE …… při použití mikrofonu do volného pole v tlakovém poli může být chyba až 9 dB (trojnásobný rozdíl) okolo 20 kHz?

Typická odezva mikrofonu pro různé frekvence.

Citlivost mikrofonů

Citlivostí se rozumí napětí produkované mikrofony při definovaném akustickém tlaku, je definována ve V/Pa a je závislá na frekvenci. Akustický tlak jeden pascal odpovídá úrovni 94 dB SPL. To je důvod, proč většina mikrofonních kalibrátorů (např. akustický kalibrátor 4231) produkuje 94 dB SPL neboli 1 Pa. Protože citlivost je frekvenčně závislá, je frekvenční odezva definována jako vyjádření citlivosti v celém frekvenčním rozsahu. Obecně se vyjadřuje v decibelech vzhledem k citlivosti při 250 Hz.

 

2. DŮLEŽITÁ ZAJÍMAVOST

B&K nepřetržitě sleduje od roku 1984 citlivost vlastních laboratorních mikrofonů 4160 and 4180. Za celé sledované období zůstala citlivost u těchto dvou konkrétních výrobků v rozsahu ±0.02 dB (což znamená menší než 0,2% změna). Tyto dva typy mikrofonů se používají v kalibračních systémech po celém světě.

Citlivost laboratorních standardních mikrofonů 4160 a 4180 od roku 1984 do roku 2018.

Dynamický rozsah mikrofonů

Dynamický rozsah měřicích mikrofonů (například 16 dBA - 143 dB) je rozsah, ve kterém mikrofon funguje jako ideální lineární převodník. První (nižší) číslo je vlastní šum. Kondenzátorové mikrofony i předzesilovače mají vlastní šum – mimo jiné hlavně omezením elektroniky a v důsledku Brownova pohybu. Toto číslo udává hladinu akustického tlaku, která by vytvořila stejné napětí jako hluk generovaný samotným mikrofonem. Hluk se měří v pásmu třetinooktávy, vážený filtrem A v rozsahu lidského sluchu (od 22,4 Hz do 22,4 kHz), pokud není uvedeno jinak. Druhé (vyšší) číslo je nejvyšší měřitelná hladina akustického tlaku s celkovým harmonickým zkreslením ne větším než 3 %.

 

VĚDĚLI JSTE, ŽE……dynamický rozsah mikrofonu je většinou omezen rozsahem mikrofonního předzesilovače? Například předzesilovač s CCLD napájením (constant-current line drive) je navržen tak, aby ve špičce poskytoval maximálně 7 V pro frekvence nižší než 20 kHz, což poskytuje maximum 134 dB SPL pro mikrofon o citlivosti 50 mV/Pa. Je také možné pomocí klasického předzesilovače rozšířit horní hranici dynamického rozsahu na 146 dB.

Zvukové pole mikrofonu

Měřicí mikrofony svou velikostí a tvarem ovlivňují akustický tlak. Tento vliv, který závisí na typu zvukového pole, je uvažován při návrhu každého mikrofonu – odezvy mikrofonu jsou proto optimalizovány tak, aby kompenzovaly případné odchylky. To nám umožňuje vždy poskytnout plochou křivku odezvy na zvolené zvukové pole.

Měřicí mikrofony jsou rozděleny do tří kategorií, každá je optimalizována pro jeden ze tří typů zvukového pole. Je důležité vybrat si mikrofon, který je pro dané zvukové pole nejvhodnější.

 

Mikrofony do volného pole

Typicky jsou tyto mikrofony používány k měření reproduktorů nebo venkovního hluku.

 

3. DŮLEŽITÁ ZAJÍMAVOST

Brüel & Kjær vyrábí ½ mikrofon do volného pole 4191, který má dynamický rozsah od 20 dBA do 162 dB (tj. 142 dB). Pokud převedeme tento poměr na vzdálenost, rozsah měření by byl od pramene vlasů až po více než tři Eiffelovy věže naskládané na sebe.

Aby bylo možné provádět měření ve volném poli, tj. zcela bez předmětů odrážejících zvukové vlny, musí být měření prováděna venku ideálně na stativu/tyči/stožáru na kolmici k ploše zvukové vlny nebo v bezodrazové komoře. V bezodrazové komoře jsou všechny stěny, strop i podlaha pokryty vysoce absorpčním materiálem, který eliminuje odrazy zvukových vln. Hladina akustického tlaku v jakémkoli směru od zdroje hluku tak může být měřena bez přítomnosti rušivých odrazů.

 

Difúzní pole

Opakem bezodrazové komory je dozvuková komora, kde jsou všechny povrchy co nejtvrdší, nejreflexivnější a kde neexistují žádné dva paralelní povrchy. Tato konfigurace způsobuje difúzní pole, protože všechny zvukové vlny přicházejí současně ze všech směrů se stejnou pravděpodobností a úrovní. Zvukových polí s vysokou podobností s difúzním polem lze dosáhnout v prostředích, jako jsou budovy s tvrdými zdmi, kde existuje mnoho simultánních zdrojů zvuku nebo hluku, např. v kabině či v kostelech.

Pokud si nejste jisti zvukovým polem, ve kterém se nacházíte, je nejlepší předpokládat, že je to difúzní pole, aby se minimalizovala chyba měření. Mikrofony s difúzním polem se obvykle používají k měření hluku v interiéru vozidla nebo při měření akustických ukazatelů budov (stavební akustika).

Tlakové pole

Tlakové pole je charakteristické tím, že akustický tlak má stejnou velikost a fázi ve všech bodech v poli. Zvukových polí s blízkou podobností s tlakovým polem lze dosáhnout v malých dutinách (malých ve srovnání s vlnovou délkou), třeba jako jsou umělé uši. Mikrofony s tlakovým polem se obvykle používají v elektroakustice, aerodynamických tunelech nebo při měření v zapuštěných místech.

Stabilita mikrofonů

Měřicí mikrofony Brüel & Kjær jsou navrženy tak, aby byly extrémně stabilní, zejména v průběhu času, ale také při změně teploty, vlhkosti a okolního tlaku. Pro dosažení maximální stability používá Brüel & Kjær pečlivě vybraný, vysoce kvalitní materiál; řízené tepelné procesy a zpracování, kterými materiál uměle „zestárne“ a uvolní jakékoli napětí v materiálu. Každý mikrofon je průběžně testován v každém kroku jeho výrobního procesu.

Mikrofony jsou během výroby v čistém prostoru třídy 10 vystaveny mnoha čisticím procesům. V čistém prostoru třídy 10 je méně než 10 částic větších než 0,5 µm a méně než 2 částice mezi 1 a 5 µm na krychlovou stopu (ft3). Pro srovnání, běžný pokojový vzduch je přibližně třída 1 milion.

Vzhledem k tomu, že vzdálenost mezi zadní deskou a membránou je obecně kolem 20 µm, jakékoli větší částice, které jsou přítomny v tomto prostoru, by způsobily problémy se stabilitou mikrofonu v čase – zvláště když dojde ke kondenzaci nebo změnám teploty.

Pokud dojde k propíchnutí membrány, dojde ke kontaminaci a různé částice se dostanou do tohoto původně čistého prostoru. Dosažení stejné úrovně čistoty během opravy nemusí zaručit, že mikrofon bude mít optimální odezvu. A to je důvod, proč Brüel & Kjær nenabízí tyto opravy mikrofonů.

 

Máte zájem o špičkové produkty nebo poradenství pro měření hluku a vibrací? Kontaktujte nás, rádi Vám navrhneme řešení na míru!

Odesláním formuláře souhlasíte s zásadami zpracování osobních údajů.

Pole označená * jsou povinná.

Odesláním formuláře souhlasíte s zásadami zpracování osobních údajů.

Pole označená * jsou povinná.

Odesláním formuláře souhlasíte s zásadami zpracování osobních údajů.

Pole označená * jsou povinná.