Zvok se nanaša na nihanje tlaka, ki se širi skozi medij (zrak, tekočino ali drug medij, ki ga zazna človeško uho). Nihanje tlaka/zvok bobnič pretvori v elektronske signale in jih prenese v možgane. Možgani sprejemajo te signale in na podlagi njihovih značilnosti prepoznajo različne zvočne oblike, kot so glasba, govor in hrup.
Mikrofon deluje podobno kot bobnič. Nato lahko s snemanjem in analizo teh signalov zbirate informacije o značilnostih poti širjenja zvoka od vira zvoka do mikrofona. Na primer, pri testiranju hrupa, vibracij in akustične hrapavosti želijo inženirji pogosto zmanjšati neželene zvoke, kot so tisti, ki vplivajo na udobje potnikov med vožnjo. Hrup je lahko zvok nad ali pod frekvenčnim območjem, ki ga sliši človeško uho, ali amplituda zvoka pri resonančni frekvenci. Te meritve so ključnega pomena za načrtovalce, ki morajo zmanjšati hrup, da bi dosegli emisijske standarde ali analizirati delovanje in življenjsko dobo opreme.
Načela delovanja mikrofona Pri načrtovanju mikrofonov so na voljo različne možnosti, vendar so med merilnimi mikrofoni najpogosteje uporabljeni zunanje polarizirani kondenzatorski mikrofoni, pred-polarizirani elektretni kondenzatorski mikrofoni in piezoelektrični mikrofoni.
1. Kondenzatorski mikrofoni
Kondenzatorski mikrofon je vrsta mikrofona, ki temelji na kondenzatorski zasnovi. Kondenzatorski mikrofon uporablja kovinsko membrano kot substrat kondenzatorja. Kovinska plošča, ki meji na diafragmo, služi kot drugi substrat. Ko zvočno polje vzbudi membrano, se kapacitivnost med obema substratoma spremeni z nivojem zvočnega tlaka. Uporaba stabilne enosmerne napetosti na substrate prek visokega upora zadrži naboj na substratih. Sprememba kapacitivnosti povzroči izhod AC, ki je sorazmeren ravni zvočnega tlaka. Pred-polarizirani mikrofoni lahko napolnijo kondenzator z zunanjo polarizacijsko napetostjo ali inherentnimi lastnostmi materiala. Zunanje polarizirani kondenzatorski mikrofoni potrebujejo napajalno napetost 200 V. Pred-polarizirane mikrofone napaja predojačevalnik IEPE, ki zahteva vir stalnega toka.
2. Piezoelektrični mikrofoni
Piezoelektrični mikrofoni uporabljajo kristalno strukturo za ustvarjanje napetosti hrbtne plošče. Številni piezoelektrični mikrofoni uporabljajo enak mehanizem za prilagajanje signala kot merilniki pospeška, nekateri pa za zagotavljanje polarizacijske napetosti uporabljajo tudi prilagajanje signala IEPE. Čeprav ima ta tip tipala nizko občutljivost, je vzdržljiv in lahko meri visoko-amplitudo ravni zvočnega tlaka. Vendar pa je raven hrupa v ozadju te vrste mikrofona običajno visoka. Ta oblika je primerna za uporabo pri merjenju udarnega tlaka in tlaka porušitve.
Kako izbrati pravi mikrofon
Polje odziva
Pri izbiri mikrofona je treba upoštevati vrsto polja, v katerem deluje. Mikrofoni so razvrščeni v tri vrste: prosto-polje, tlačno-polje in difuzno-polje. Medtem ko ti mikrofoni delujejo podobno pri nizkih frekvencah, se njihovo delovanje pri visokih frekvencah bistveno razlikuje.
Mikrofoni-prostega polja merijo zvočni tlak, ki ga oddaja neposredno en vir zvoka na membrani mikrofona. Ti senzorji merijo zvočni tlak, ki je prisoten, preden mikrofon vstopi v zvočno polje. Ti mikrofoni so najbolj primerni za odprta območja brez trdih ali odsevnih površin. Odmevne komore ali bolj odprta območja so idealna za mikrofone s prostim{4}}poljem.
Mikrofoni-za tlačno polje merijo zvočni tlak pred membrano. Njegova amplituda in faza sta enaki na kateri koli točki znotraj polja, njegova valovna dolžina pa je relativno kratka. Običajno jih najdemo v zaprtih prostorih ali votlinah. Primeri aplikacij-poljskih senzorjev tlačnega polja vključujejo preizkušanje tlaka v stenah, preskušanje tlaka v krilih in preizkušanje tlaka notranjih struktur, kot so cevi, koloidi in votline.
V nekaterih primerih zvok ne izvira iz enega vira. Difuzni-mikrofoni zagotavljajo enoten odziv na zvoke, ki prihajajo hkrati iz različnih smeri. Te vrste mikrofonov so primerne za merjenje zvoka v cerkvah ali drugih okoljih s trdimi, odbojnimi stenami. Vendar sta za večino mikrofonov odziva tlačnega in difuzijskega polja podobna, zato se mikrofoni tlačnega polja pogosto uporabljajo tudi za meritve difuzijskega polja.
Dinamični razpon
Primarni standard za opisovanje zvoka temelji na amplitudi nihanj zvočnega tlaka. Najnižja amplituda zvočnega tlaka, ki jo lahko zazna človeško uho, je 20 delcev na milijon (20 μPa). Pascals za izražanje zvočnega tlaka je običajno premajhen in ga je težko obdelati, zato se kot merska enota običajno uporabljajo decibeli (dB). To logaritemsko razmerje natančneje opisuje odziv človeškega ušesa na tresljaje zvočnega tlaka.
Proizvajalci določijo največjo vrednost decibelov glede na zasnovo in fizične značilnosti mikrofona. Največja vrednost v decibelih se nanaša na raven zvočnega tlaka, pri kateri se diafragma približa hrbtni plošči ali ko skupno harmonično popačenje (THD) doseže določeno vrednost (običajno 3 % THD). V danem okolju uporabe je največji izhod mikrofona v decibelih odvisen od napajane napetosti in občutljivosti mikrofona. Preden izračunamo največjo izhodno vrednost decibelov mikrofona, ki uporablja določen predojačevalnik, in njegovo ustrezno temensko napetost, moramo najprej izračunati najvišjo raven zvočnega tlaka, ki jo mikrofon lahko prenese. Vrednosti ravni zvočnega tlaka (SPL) se lahko izračunajo po naslednji formuli:
P=Pa, kjer je napetost najvišja napetost predojačevalnika.
Ko je določen največji SPL pri najvišji napetosti mikrofona, se lahko SPL pretvori v decibele z naslednjo formulo:
Kjer je P tlak, izražen v Pascalih, P0 pa referenčni SPL (konstanta,=0.00002 Pa).
Ta formula daje največjo merljivo vrednost SPL, ko se mikrofon uporablja z določenim predojačevalnikom. Za določitev zahtevane minimalne ravni hrupa ali SPL glejte standard za oceno toplotnega hrupa modula mikrofona. Specifikacija CTN zagotavlja minimalno zaznavno vrednost SPL, ki je višja od inherentnega električnega šuma mikrofona. Slika 6 prikazuje tipične ravni hrupa, ko se mikrofon uporablja s predojačevalnikom pri različnih frekvencah.
Pri izbiri mikrofona je pomembno zagotoviti, da je izmerjena vrednost tlaka med vrednostjo CTN mikrofona in njegovo največjo nazivno vrednostjo v decibelih. Na splošno velja, da manjši kot je premer mikrofona, višja je zgornja meja vrednosti decibelov. Mikrofoni z večjim premerom imajo običajno nižje vrednosti CTN in se zato pogosto uporabljajo za meritve nizkega-razpona decibelov.
Frekvenčni odziv
Ko določite zahtevano vrsto odziva mikrofona na polje in dinamični razpon, si oglejte specifikacije mikrofona, da določite uporabno frekvenčno območje. Mikrofoni z manjšim premerom imajo običajno višjo zgornjo frekvenčno mejo. Nasprotno imajo mikrofoni z večjim premerom višjo občutljivost in so bolj primerni za zaznavanje nizkih-frekvenc.
Proizvajalci običajno nastavijo toleranco frekvence na ±2dB. Pri primerjavi različnih mikrofonov je bistveno preveriti njihova frekvenčna območja in tolerance za določena frekvenčna območja. Če zahteve aplikacije niso visoke in je povečana toleranca decibelov v sprejemljivih mejah, je mogoče izboljšati uporabno frekvenčno območje mikrofona. To lahko potrdite pri proizvajalcu ali si ogledate tabelo za umerjanje mikrofona, da določite dejansko uporabno frekvenčno območje, ki ustreza določeni toleranci decibelov.
Vrsta polarizacije
Tradicionalni zunanje polarizirani mikrofoni in novejši pred-polarizirani mikrofoni so primerni za večino aplikacij, vendar obstajajo razlike med njima. Zunanje polarizirani mikrofoni so primernejši za temperaturna območja od 120 stopinj do 150 stopinj, zato so priporočljivi za okolja z visoko-temperaturo. Pred-polarizirani mikrofoni so primernejši za vlažna okolja. Nenadne temperaturne spremembe lahko povzročijo kratke stike v strukturi notranjega kondenzatorja zunanje polariziranih mikrofonov.
Ker zunanje polarizirani mikrofoni zahtevajo določeno napetost 200 V, je mogoče v njihovi konfiguraciji uporabiti samo 7-polne kable in priključke LEMO. Novejši vnaprej polarizirani mikrofoni, ki jih napaja stalni tokovni vir 2-20 mA, so lažji za uporabo in zato bolj priljubljeni. S to konfiguracijo je mogoče uporabiti standardne in koaksialne kable ter priključke BNC ali 10-32 za dovajanje toka in signalov v bralno napravo.
Temperaturno območje
Občutljivost mikrofona se zmanjša, ko temperatura okolja doseže najvišjo določeno temperaturo. Upoštevati moramo temperaturo delovanja in shranjevanja mikrofona. Delovanje ali shranjevanje v ekstremnih pogojih lahko negativno vpliva na mikrofon in poveča zahteve za kalibracijo. V večini primerov je sistemski predojačevalnik omejevalni dejavnik za delovno temperaturno območje. Čeprav visoka temperatura 120 stopinj ne vpliva na občutljivost večine mikrofonov, je potreben predojačevalnik omejen na delovanje v okoljih med 60 in 80 stopinjami.
Kondicioniranje signala mikrofona
Ko se pripravljate na merjenje mikrofona z opremo DAQ, upoštevajte naslednje točke, da zagotovite, da so izpolnjene vse vaše zahteve glede kondicioniranja signala:
Ojačitev za izboljšanje natančnosti merjenja in razmerja med-signalom in-šumom
Tokovno vzbujanje za napajanje predojačevalnika senzorja IEPE
AC sklopka za odpravo enosmerne pristranskosti, izboljšanje ločljivosti in popolno uporabo celotnega obsega vhodne naprave
Filtriranje za odpravo zunanjega visoko{0}}frekvenčnega šuma
Ustrezna ozemljitev za odpravo šuma, ki ga povzroča tok med različnimi ozemljitvenimi potenciali
Dinamično območje za merjenje celotnega obsega amplitude mikrofona
