Калибровка измерительного микрофона

Эта статья включает в себя список литературы , связанной литературы или внешних ссылок , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Июнь 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

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 может входить Национальная физическая лаборатория 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 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 [ править ]

Калибровка взаимности в настоящее время является предпочтительным основным стандартом для калибровки измерительных микрофонов. Этот метод использует взаимную природу 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.${\ displaystyle i}$${\ displaystyle j}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle j}$ ${\ displaystyle Z_ {ac}}$${\ displaystyle I_ {i}}$действовать как источник звука, а другой реагирует на давление, создаваемое в соединителе, создавая выходное напряжение, приводящее к электрическому передаточному сопротивлению . При условии, что микрофоны имеют обратное поведение, что означает, что чувствительность холостого хода в В / Па в качестве приемника такая же, как чувствительность в м3 / с / А в качестве передатчика, можно показать, что произведение коэффициентов передачи , , а акустический передаточный импеданс равен электрическому передаточному импедансу.${\ displaystyle U_ {j}}$${\ displaystyle Z_ {ij}}$${\ displaystyle M_ {i}}$${\ displaystyle M_ {j}}$

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

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

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

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

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

Обычно используемые акустические соединители - это свободное поле , диффузное поле и камера сжатия. Для условий свободного поля между двумя микрофонами можно рассчитать звуковое давление в дальней зоне, 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 предварительно 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 отследить (через процесс распространения) обратно к микрофону, откалиброванному методом взаимности в Национальном измерительном институте. Калибровка взаимности - это специализированный процесс, и, поскольку он составляет основу первичного эталона звукового давления, многие национальные измерительные институты вложили значительные усилия в исследования для усовершенствования метода и разработки средств калибровки. Система также коммерчески доступна от Brüel & Kjr .

Для бортовой акустики метод взаимности в настоящее время является наиболее точным методом калибровки микрофона (т. Е. Имеет наименьшую погрешность измерения ). Свободное полеКалибровка взаимности давления (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 труднее реализовать. По существу, более обычным является выполнение калибровки взаимности в акустическом ответвителе, а затем применение поправки, если микрофон будет использоваться в условиях свободного поля; такие поправки стандартизированы для лабораторных стандартных микрофонов (IEC / TS 61094-7) и обычно доступны у производителей большинства распространенных типов микрофонов.

Калибровка с помощью поршневых телефонов и калибраторов звука [ править ]

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 камере. камера, V- объем камеры, а γ - отношение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении к его удельной теплоемкости при постоянном объеме. Поршневые телефоны в значительной степени зависят от давления окружающей среды (всегда требующего поправки на условия давления окружающей среды) и, как правило, предназначены только для воспроизведения низких частот (по практическим соображениям), обычно 250 Гц. Однако поршневые телефоны 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 проследить; хотя обычно 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 разными моделями микрофона будут влиять на результирующий уровень звукового давления, что требует 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), что обеспечивает высокую степень независимой от громкости работы. Кроме того, в современных устройствах часто используется механизм обратной связи для контроля 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 звуковое давлениеравен линейному уровню на частоте 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 [ править ]