Калибровка измерительного микрофона

Чтобы провести научные измерения с помощью микрофона его точную чувствительность , необходимо знать (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 соответствовать первичным стандартам (национального) измерительного института, подписавшего Международное сотрудничество по аккредитации лабораторий . К ним могут относиться Национальная физическая лаборатория в Великобритании, PTB в Германии, NIST в США и Национальный институт измерений в Австралии , где калибровка взаимностью (см. ниже) является международно признанным средством реализации первичного эталона. Лабораторные стандартные микрофоны, откалиброванные с использованием 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 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 характера звукового поля, которому он подвергается. По этой причине микрофоны часто калибруются более чем по одному звуковому полю, например, по полю давления и по свободному полю. В зависимости от области применения измерительные микрофоны необходимо проверять периодически (обычно каждый год или несколько месяцев), а также после любого потенциально опасного события, например падения или воздействия уровня звука, выходящего за пределы рабочего диапазона устройства.

Калибровка взаимности

Калибровка взаимности в настоящее время является предпочтительным основным стандартом калибровки измерительных микрофонов. В этом методе используется взаимный характер некоторых механизмов преобразования, таких как принцип электростатического преобразователя, используемый в конденсаторных измерительных микрофонах . Для проведения калибровки взаимности необходимо использовать три некалиброванных микрофона. $i$, $j$ и $k$ используются. Микрофоны $i$ и $j$ расположены лицом друг к другу с хорошо известным акустическим соединителем между их диафрагмами , обеспечивающим акустический импеданс передачи $Z_{\text{ac}}$ легко моделироваться. Затем на один из микрофонов подается ток. $I_{i}$ действовать как источник звука, а другой реагирует на давление, создаваемое в соединителе, создавая выходное напряжение $U_{j}$ что приводит к электрическому передаточному сопротивлению $Z_{ij}$. При условии, что поведение микрофонов взаимное, что означает, что чувствительность разомкнутой цепи в В/Па в качестве приемника такая же, как чувствительность в м. ³ /s/A как передатчик, можно показать, что произведение коэффициентов передачи $M_{i}$, $M_{j}$, а акустический импеданс передачи равен электрическому импедансу передачи.

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

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

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

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

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

Обычно используемые акустические соединители представляют собой свободное поле , диффузное поле и камеру сжатия. Для условий свободного поля между двумя микрофонами можно рассчитать звуковое давление в дальней зоне, из чего следует:

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

где $r$ расстояние между микрофонами. Для условий диффузного поля следует

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

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

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

где $V_{0}$ - объем воздуха в камере.

Этот метод обеспечивает измерение чувствительности микрофона без необходимости сравнения с другим ранее откалиброванным микрофоном и вместо этого позволяет отслеживать электрические величины, такие как вольты и омы , а также длину , массу и время . Хотя данный калиброванный микрофон часто калибруется другими (вторичными) методами, все это можно проследить (в процессе распространения ) до микрофона, откалиброванного с использованием метода взаимности в Национальном измерительном институте. Калибровка взаимности является специализированным процессом, и поскольку она составляет основу первичного эталона звукового давления, многие национальные измерительные институты вложили значительные исследовательские усилия в усовершенствование метода и разработку средств калибровки. Система также коммерчески доступна от компании Brüel & Kjær .

Для воздушной акустики метод взаимности в настоящее время является наиболее точным методом калибровки микрофонов (т.е. имеет наименьшую неопределенность измерения ). Калибровка взаимности в свободном поле (чтобы дать отклик в свободном поле, в отличие от реакции микрофона на давление) следует тем же принципам и примерно тому же методу, что и калибровка взаимности давления, но на практике ее гораздо сложнее реализовать. По этой причине более обычно выполнять калибровку взаимности в акустическом соединителе, а затем применять коррекцию, если микрофон будет использоваться в условиях свободного поля; такие поправки стандартизированы для стандартных лабораторных микрофонов (IEC/TS 61094-7) и обычно доступны у производителей большинства распространенных типов микрофонов.

Калибровка с помощью пистонфонов и звуковых калибраторов

А поршеньфон — это акустический калибратор (источник звука), который использует объем закрытой связи для создания точного звукового давления для калибровки измерительных микрофонов. Принцип основан на том, что поршень с механическим приводом движется с заданной циклической скоростью, толкая фиксированный объем воздуха, к которому подключен тестируемый микрофон. Предполагается, что воздух сжимается адиабатически , и уровень звукового давления в камере потенциально можно рассчитать, исходя из внутренних физических размеров устройства и закона адиабатического газа, который требует, чтобы PVγ было константой, где P — давление в камеры, V — объем камеры, γ — отношение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении к его теплоемкости при постоянном объеме. Поршневые телефоны сильно зависят от давления окружающей среды (всегда требуют поправки на условия давления окружающей среды) и обычно предназначены для воспроизведения только низких частот (по практическим соображениям), обычно 250 Гц. Однако поршневые телефоны могут быть очень точными и иметь хорошую стабильность во времени.

Однако имеющиеся в продаже пистонфоны не являются поддающимися расчету устройствами и сами должны быть откалиброваны с использованием калиброванного микрофона, чтобы результаты можно было отслеживать; хотя в целом они очень стабильны во времени, между разными поршневыми наушниками будут небольшие различия в уровне звукового давления. Поскольку их выходная мощность также зависит от объема камеры (объема связи), различия в форме и объеме нагрузки между разными моделями микрофонов будут влиять на итоговый уровень звукового давления, что требует соответствующей калибровки поршневого телефона.

Звуковые калибраторы используются аналогично поршневым телефонам, 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 низкоомный (электродинамический) источник, что обеспечивает высокую степень независимости от громкости. Кроме того, в современных устройствах часто используется механизм обратной связи для контроля и регулировки уровня звукового давления в резонаторе, чтобы он был постоянным независимо от размера резонатора/микрофона. Звуковые калибраторы обычно генерируют синусоидальный тон частотой 1 кГц; Выбирается 1 кГц, поскольку A-взвешенный уровень звукового давления равен линейному уровню на частоте 1 кГц. Звуковые калибраторы также следует регулярно калибровать в калибровочной лаборатории, аккредитованной на национальном уровне, чтобы обеспечить прослеживаемость. Звуковые калибраторы, как правило, менее точны, чем поршневые телефоны, но (номинально) не зависят от объема внутренней полости и давления окружающей среды.

Ссылки

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