Zvuk označuje kolísanie tlaku, ktoré sa šíri prostredím (vzduch, kvapalina alebo iné médiá vnímateľné ľudským uchom). Tlakové oscilácie/zvuk sú premieňané ušným bubienkom na elektronické signály a prenášané do mozgu. Mozog prijíma tieto signály a na základe ich vlastností identifikuje rôzne zvukové formy, ako je hudba, reč a hluk.
Mikrofón funguje podobne ako ušný bubienok. Potom môžete zhromažďovať informácie o charakteristikách cesty šírenia zvuku zo zdroja zvuku do mikrofónu zaznamenávaním a analýzou týchto signálov. Napríklad pri testovaní hluku, vibrácií a akustickej drsnosti chcú inžinieri často obmedziť nežiaduce zvuky, ktoré ovplyvňujú pohodlie cestujúcich počas jazdy. Hluk môže byť zvuk nad alebo pod frekvenčným rozsahom počuteľným ľudským uchom alebo amplitúdou zvuku pri rezonančnej frekvencii. Tieto merania sú kľúčové pre konštruktérov, ktorí potrebujú znížiť hluk, aby splnili emisné normy alebo analyzovať výkon a životnosť zariadení.
Princípy fungovania mikrofónov Pri navrhovaní mikrofónov sú k dispozícii rôzne možnosti, ale najčastejšie používané meracie mikrofóny sú externe polarizované kondenzátorové mikrofóny, pred-polarizované elektretové kondenzátorové mikrofóny a piezoelektrické mikrofóny.
1. Kondenzátorové mikrofóny
Kondenzátorový mikrofón je typ mikrofónu založený na konštrukcii kondenzátora. Kondenzátorový mikrofón používa kovovú membránu ako jeden substrát kondenzátora. Kovový plech priliehajúci k membráne slúži ako ďalší substrát. Keď zvukové pole vybudí membránu, kapacita medzi dvoma substrátmi sa zmení s hladinou akustického tlaku. Aplikácia stabilného jednosmerného napätia na substráty cez vysoký odpor zachováva náboj na substrátoch. Zmena kapacity vytvára AC výstup úmerný hladine akustického tlaku. Pred-polarizované mikrofóny môžu nabíjať kondenzátor pomocou externého polarizačného napätia alebo vlastných vlastností materiálu. Externe polarizované kondenzátorové mikrofóny vyžadujú napájacie napätie 200V. Pred{10}}polarizované mikrofóny sú napájané predzosilňovačom IEPE, ktorý vyžaduje zdroj konštantného prúdu.
2. Piezoelektrické mikrofóny
Piezoelektrické mikrofóny využívajú kryštálovú štruktúru na generovanie napätia na základnej doske. Mnoho piezoelektrických mikrofónov využíva rovnaký mechanizmus úpravy signálu ako akcelerometre a niektoré tiež používajú úpravu signálu IEPE na zabezpečenie polarizačného napätia. Hoci má tento typ snímača nízku citlivosť, je odolný a dokáže merať hladiny akustického tlaku s vysokou-amplitúdou. Hladina hluku pozadia tohto typu mikrofónu je však zvyčajne vysoká. Tento dizajn je vhodný pre aplikácie merania rázového tlaku a tlaku pri roztrhnutí.
Ako si vybrať správny mikrofón
Pole odpovede
Pri výbere mikrofónu je potrebné zvážiť typ poľa, v ktorom pracuje. Mikrofóny sú rozdelené do troch typov: voľné-pole, tlakové-pole a difúzne-pole. Zatiaľ čo tieto mikrofóny fungujú podobne pri nízkych frekvenciách, ich činnosť sa výrazne líši pri vysokých frekvenciách.
Voľne dostupné{0}}mikrofóny merajú akustický tlak vyžarovaný priamo z jedného zdroja zvuku na membráne mikrofónu. Tieto snímače merajú prítomný akustický tlak predtým, ako mikrofón vstúpi do zvukového poľa. Tieto mikrofóny sa najlepšie hodia do otvorených priestorov bez tvrdých alebo reflexných povrchov. Bezodrazové komory alebo otvorenejšie oblasti sú ideálne pre bezplatné-poľné mikrofóny.
Mikrofóny s tlakovým{0}poľom merajú akustický tlak pred membránou. Jeho amplitúda a fáza sú rovnaké v akomkoľvek bode poľa a jeho vlnová dĺžka je relatívne krátka. Bežne sa nachádzajú v uzavretých priestoroch alebo dutinách. Príklady aplikácií tlakových-snímačov poľa zahŕňajú tlakové testovanie stien, tlakové testovanie krídel a tlakové testovanie vnútorných štruktúr, ako sú rúrky, koloidy a dutiny.
V niektorých prípadoch zvuk nepochádza z jedného zdroja. Difúzne-mikrofóny poskytujú jednotnú odozvu na zvuky prichádzajúce súčasne z rôznych smerov. Tieto typy mikrofónov sú vhodné na meranie zvuku v kostoloch alebo iných prostrediach s tvrdými reflexnými stenami. Pre väčšinu mikrofónov sú však odozvy tlakového poľa a difúzneho poľa podobné, takže mikrofóny tlakového poľa sa často používajú aj na merania difúzneho poľa.
Dynamický rozsah
Primárny štandard pre popis zvuku je založený na amplitúde kolísania akustického tlaku. Najnižšia amplitúda akustického tlaku, ktorú ľudské ucho dokáže vnímať, je 20 častíc na milión (20 μPa). Používanie pascalov na vyjadrenie akustického tlaku je zvyčajne príliš malé a ťažko spracovateľné, preto sa ako merná jednotka bežne používajú decibely (dB). Tento logaritmický pomer presnejšie opisuje odozvu ľudského ucha na vibrácie akustického tlaku.
Výrobcovia udávajú maximálnu hodnotu decibelov na základe konštrukcie a fyzikálnych vlastností mikrofónu. Maximálna hodnota decibelov sa vzťahuje na hladinu akustického tlaku, pri ktorej sa membrána približuje k zadnej doske, alebo keď celkové harmonické skreslenie (THD) dosiahne špecifikovanú hodnotu (zvyčajne 3 % THD). V danom aplikačnom prostredí závisí maximálny decibelový výstup mikrofónu od dodávaného napätia a citlivosti mikrofónu. Pred výpočtom maximálnej výstupnej hodnoty decibelov mikrofónu pomocou špecifického predzosilňovača a jeho zodpovedajúceho špičkového napätia musíme najprv vypočítať maximálnu hladinu akustického tlaku, ktorú mikrofón vydrží. Hodnoty hladiny akustického tlaku (SPL) možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
P=Pa, kde napätie je špičkové napätie predzosilňovača.
Po určení maximálneho SPL pri špičkovom napätí mikrofónu možno SPL previesť na decibely pomocou nasledujúceho vzorca:
Kde P je tlak vyjadrený v pascaloch a P0 je referenčná hodnota SPL (konštanta,=0.00002 Pa).
Tento vzorec poskytuje maximálnu merateľnú hodnotu SPL, keď sa mikrofón používa so špecifickým predzosilňovačom. Ak chcete určiť požadovanú minimálnu hladinu hluku alebo SPL, pozrite si normu hodnotenia tepelného šumu modulu mikrofónu. Špecifikácia CTN poskytuje minimálnu detekovateľnú hodnotu SPL, ktorá je vyššia ako vlastný elektrický šum mikrofónu. Obrázok 6 zobrazuje typické hladiny hluku, keď sa mikrofón používa s predzosilňovačom na rôznych frekvenciách.
Pri výbere mikrofónu je dôležité zabezpečiť, aby nameraná hodnota tlaku bola medzi hodnotou CTN mikrofónu a jeho maximálnou menovitou hodnotou decibelov. Vo všeobecnosti platí, že čím menší je priemer mikrofónu, tým vyššia je horná hranica hodnoty decibelov. Mikrofóny s väčším priemerom majú zvyčajne nižšie hodnoty CTN, a preto sa často používajú na merania s nízkym-rozsahom v decibeloch.
Frekvenčná odozva
Po určení požadovaného typu odozvy poľa mikrofónu a dynamického rozsahu si pozrite špecifikácie mikrofónu, aby ste určili použiteľný frekvenčný rozsah. Mikrofóny s menším priemerom majú zvyčajne vyššiu hornú hranicu frekvencie. Naopak, mikrofóny s väčším priemerom majú vyššiu citlivosť a sú vhodnejšie na detekciu nízkych-frekvencií.
Výrobcovia vo všeobecnosti nastavujú toleranciu frekvencie na ±2dB. Pri porovnávaní rôznych mikrofónov je nevyhnutné skontrolovať ich frekvenčné rozsahy a tolerancie pre konkrétne frekvenčné rozsahy. Ak požiadavky na aplikáciu nie sú vysoké a zvýšená tolerancia decibelov je v prijateľných medziach, použiteľný frekvenčný rozsah mikrofónu sa môže zlepšiť. Ak chcete určiť skutočný použiteľný frekvenčný rozsah zodpovedajúci konkrétnej tolerancii decibelov, môžete si to overiť u výrobcu alebo sa obrátiť na tabuľku kalibrácie mikrofónu.
Typ polarizácie
Tradičné externe polarizované mikrofóny a novšie predpolarizované mikrofóny sú vhodné pre väčšinu aplikácií, existujú však rozdiely medzi nimi. Vonkajšie polarizované mikrofóny sú vhodnejšie pre rozsahy teplôt od 120 stupňov do 150 stupňov , preto sa odporúčajú pre prostredia s vysokou-teplotou. Do vlhkého prostredia sú vhodnejšie-polarizované mikrofóny. Náhle zmeny teploty môžu spôsobiť skrat v štruktúre vnútorného kondenzátora externe polarizovaných mikrofónov.
Pretože externe polarizované mikrofóny vyžadujú špecifické napätie 200 V, v ich konfigurácii je možné použiť iba 7-kolíkové káble a konektory LEMO. Novšie predpolarizované mikrofóny, napájané konštantným zdrojom prúdu 2-20 mA, sa ľahšie používajú, a preto sú obľúbenejšie. Pri tejto konfigurácii je možné použiť štandardné a koaxiálne káble a konektory BNC alebo 10-32 na dodávanie prúdu a signálov do čítacieho zariadenia.
Teplotný rozsah
Keď okolitá teplota dosiahne maximálnu špecifikovanú teplotu, citlivosť mikrofónu sa zníži. Musíme zvážiť prevádzkovú aj skladovaciu teplotu mikrofónu. Prevádzka alebo skladovanie v extrémnych podmienkach môže negatívne ovplyvniť mikrofón a zvýšiť požiadavky na kalibráciu. Vo väčšine prípadov je systémový predzosilňovač limitujúcim faktorom pre rozsah prevádzkových teplôt. Hoci vysoká teplota 120 stupňov neovplyvňuje citlivosť väčšiny mikrofónov, požadovaný predzosilňovač je obmedzený na prevádzku v prostrediach medzi 60 a 80 stupňami.
Úprava signálu mikrofónu
Pri príprave na meranie mikrofónu pomocou zariadenia DAQ zvážte nasledujúce body, aby ste sa uistili, že sú splnené všetky vaše požiadavky na úpravu signálu:
Zosilnenie na zlepšenie presnosti merania a pomeru signálu-k{1}}šumu
Prúdové budenie na napájanie predzosilňovača snímača IEPE
AC väzba na odstránenie jednosmerného skreslenia, zlepšenie rozlíšenia a plné využitie celého rozsahu vstupného zariadenia
Filtrovanie na odstránenie externého vysokofrekvenčného-hluku
Správne uzemnenie na elimináciu šumu generovaného prúdom medzi rôznymi zemnými potenciálmi
Dynamický rozsah na meranie celého amplitúdového rozsahu mikrofónu
