Калибровка измерительного микрофона - Measurement microphone calibration

Чтобы провести научное измерение с помощью микрофон, его точный чувствительность должно быть известно (в вольт на паскаль ). Поскольку это может измениться в течение срока службы устройства, необходимо регулярно откалибровать измерительные микрофоны. Эту услугу предлагают некоторые производители микрофонов и независимые испытательные лаборатории. Калибровка микрофона в сертифицированных лабораториях должна в конечном итоге прослеживаться до первичные стандарты (Национальный) измерительный институт, подписавший Международное сотрудничество по аккредитации лабораторий. Они могут включать Национальная физическая лаборатория в Соединенном Королевстве, PTB в Германии, NIST в США и Национальный институт измерений, Австралия, где калибровка взаимности (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 частота (а также с другими факторами, такими как условия окружающей среды) и поэтому обычно регистрируются 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

В настоящее время предпочтение отдается калибровке взаимности. первичный стандарт для калибровки измерительных микрофонов. Этот метод использует взаимную природу определенных механизмов преобразования, таких как принцип электростатического преобразователя, используемый в конденсаторные измерительные микрофоны. Для проведения калибровки взаимности три некалиброванных микрофона ${\displaystyle i}$, ${\displaystyle j}$ и ${\displaystyle k}$ используются. Микрофоны ${\displaystyle i}$ и ${\displaystyle j}$ размещены напротив друг друга с помощью хорошо известного акустического соединителя между их диафрагмы, позволяя акустический передаточный импеданс ${\displaystyle Z_{ac}}$ легко моделируется. Тогда один из микрофонов приводится в действие током. ${\displaystyle I_{i}}$ действовать как источник звука, а другой реагирует на давление, создаваемое в соединителе, создавая выходное напряжение ${\displaystyle U_{j}}$ приводя к электрическому передаточному сопротивлению ${\displaystyle Z_{ij}}$. 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 ${\displaystyle M_{i}}$, ${\displaystyle M_{j}}$, а акустический передаточный импеданс равен электрическому передаточному сопротивлению.

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

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

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

Импеданс передачи электрического сигнала определяется во время процедуры калибровки путем измерения тока и напряжения, а сопротивление передачи звука зависит от акустического ответвителя.

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

Обычно используемые акустические соединители: свободное поле, диффузное поле и камера сжатия. Для условий свободного поля между двумя микрофонами звуковое давление в дальней зоне можно рассчитать, и это следует

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

куда ${\displaystyle r}$ расстояние между микрофонами. Для условий диффузного поля следует

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

куда ${\displaystyle A}$ - эквивалентная площадь поглощения и ${\displaystyle d_{c}}$ это критическое расстояние для реверберации. Для условий компрессионного развала следует

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

куда ${\displaystyle V_{0}}$ - объем воздуха в камере.

Этот метод обеспечивает измерение чувствительности микрофона без необходимости сравнения с другим ранее откалиброванным микрофоном, и вместо этого его можно проследить до эталонных электрических величин, таких как вольт и Ом, а также длина, масса и время. Хотя данный откалиброванный микрофон часто калибровался другими (вторичными) методами, все это можно отследить (в процессе распространение ) обратно в микрофон, откалиброванный с использованием метода 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 исследовательские усилия в усовершенствование метода и разработку средств калибровки. Система также коммерчески доступна от Брюль и Кьер.

Для воздушной акустики метод взаимности в настоящее время является наиболее точным методом калибровки микрофона (т. Е. Имеет наименьший неопределенность измерения ). Свободное поле Калибровка 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. Таким образом, обычно выполняется калибровка взаимности в акустическом ответвителе, а затем применяется коррекция, если микрофон должен использоваться в условиях свободного поля; такие поправки стандартизированы для лабораторных стандартных микрофонов (IEC / TS 61094-7) и обычно доступны от производителей большинства распространенных типов микрофонов.

Калибровка с помощью поршневых телефонов и калибраторов звука

А поршневой телефон представляет собой акустический калибратор (источник звука), который использует замкнутый соединительный объем для создания точного звукового давления для калибровки измерительных микрофонов. Принцип основан на поршень механически приводится в движение с заданной циклической скоростью, нагнетая фиксированный объем воздуха, к которому подключен тестируемый микрофон. Предполагается, что воздух сжат адиабатически и уровень звукового давления в камере потенциально может быть рассчитан на основе внутренних физических размеров устройства и адиабатический газовый закон, который требует, чтобы PVγ постоянная, где п давление в камере, V - объем камеры, а γ отношение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении к его удельная теплоемкость при постоянной громкости. Поршневые микрофоны сильно зависят от давления окружающей среды (всегда требуется поправка к условиям давления окружающей среды) и, как правило, предназначены только для воспроизведения низких частот (по практическим причинам), обычно 250 Гц. Однако поршневые микрофоны могут быть очень точными и стабильными во времени.

Однако имеющиеся в продаже поршневые телефоны не являются вычисляемыми устройствами и сами должны быть откалиброваны с использованием калиброванного микрофона, чтобы результаты можно было отслеживать; хотя в целом 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 различными моделями микрофона будут влиять на результирующий уровень звукового давления, требуя 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) для обеспечения высокой степени независимой от громкости работы. Кроме того, современные устройства часто используют механизм обратной связи для контроля и настройки уровень звукового давления в полости, чтобы она была постоянной независимо от размера полости / микрофона. Звуковые калибраторы обычно генерируют синусоидальный сигнал частотой 1 кГц; 1 кГц выбран, поскольку A-взвешенный SPL равен линейному уровню на частоте 1 кГц. Звуковые калибраторы также следует регулярно калибровать в калибровочной лаборатории, аккредитованной на национальном уровне, для обеспечения прослеживаемости. Звуковые калибраторы обычно менее точны, чем поршневые телефоны, но (номинально) не зависят от объема внутренней полости и давления окружающей среды.

Рекомендации

• IEC 61094-2, издание 2. (20 февраля 2009 г.) «Измерительные микрофоны, часть 2». Стандарт IEC для калибровки измерительных микрофонов на взаимное давление
• IEC 61094-5, издание 1. (16 октября 2001 г.) «Измерительные микрофоны, часть 5». Стандарт МЭК для сравнительной калибровки измерительных микрофонов