Badanie odpowiedzi częstotliwściowej mikrofonu

Wewnętrzna walidacja mikrofonów pomiarowych - zaoszczędź czas i budżet

Odpowiedź częstotliwościowa jest często najważniejszym parametrem w ocenie badanego urządzenia. Ma to szczególne zastosowanie w badaniach urządzeń audio, czy elektroniki użytkowej, natomiast widmo sygnału jest ważnym narzędziem oceny również w branży automotive, przemyśle ciężkim czy na liniach produkcyjnych.

Tak samo jak odpowiedź badanego urządzenia ważną kwestią jest odpowiedź częstotliwościowa mikrofonu używanego podczas pomiaru. W poniższym artykule przedstawiamy dostępne metody weryfikacji takiej odpowiedzi przeznaczone dla użytkowników dużej liczby takich czujników. Wewnętrzny rozwój stanowiska weryfikacyjnego może w dłuższej perspektywie stanowić korzystniejszą alternatywę dla okresowych wzorcowań w laboratoriach zewnętrznych. 

Poniżej przedstawimy różnicę między poszczególnymi typami mikrofonów oraz trzy systemy umożliwiające wiarygodną weryfikację odpowiedzi częstotliwościowej używanych mikrofonów pomiarowych.   

Rola mikrofonów pomiarowych

Mikrofony pomiarowe zasadniczo różnią się od standardowych mikrofonów studyjnych czy estradowych. Nie mają one "brzmieć dobrze" w subiektywnym tego słowa znaczeniu - ich zadaniem jest pełnienie funkcji precyzyjnych czujników, które w sposób przewidywalny rejestrują sygnał akustyczny.

Zrozumienie odpowiedzi częstotliwościowej wymaga jednak świadomości zjawisk fizycznych zachodzących podczas samego pomiaru. Sam fakt umieszczenia mikrofonu w przestrzeni zaburza pierwotne pole akustyczne. Fale dźwiękowe uginają się na obudowie mikrofonu (zjawisko dyfrakcji) i odbijają od jego membrany, co powoduje lokalny wzrost ciśnienia akustycznego. Zjawisko to nasila się przy wyższych częstotliwościach, gdzie długość fali staje się porównywalna z fizycznymi wymiarami przetwornika (np. z półcalową średnicą kapsuły). Z tego powodu mikrofony pomiarowe projektuje się i kalibruje w trzech wariantach, zoptymalizowanych pod kątem konkretnego pola akustycznego:

• Mikrofony do pola swobodnego (Free-field microphones): Przystosowane są do pomiarów fal akustycznych dochodzących do nich prostopadle bezpośrednio ze źródła dźwięku. Głównym zadaniem tych mikrofonów jest wprowadzenie pasywnego tłumienia konsekwencji dyfrakcji na obudowie. W konsekwencji otrzymujemy odpowiedź bez wpływu fizycznej obudowy mikrofonu. 
• Mikrofony ciśnieniowe (Pressure microphones): Mierzą one rzeczywiste ciśnienie akustyczne działające bezpośrednio na ich membranę. Ze względu na to, że mikrofonów tego typu nie należy stosować w polu swobodnym, nie posiadają one żadnej kompensacji fal odbitych. Ich naturalnym środowiskiem pracy są pomiary wewnątrz małych, zamkniętych przestrzeni lub instalacje, w których mikrofon jest zamontowany na równi z twardą powierzchnią, na przykład w ścianie tunelu aerodynamicznego.
• Mikrofony do pola rozproszonego (Diffuse-field / Random-incidence microphones): Zostały zaprojektowane tak, aby charakteryzować się płaską odpowiedzią dla dźwięków docierających z równym prawdopodobieństwem i intensywnością ze wszystkich kierunków jednocześnie. Takie mikrofony zakładają, że oprócz fali bezpośredniej ważnym składnikiem są również fale odbite, dochodzące losowe ze wszystkich kierunków. Mikrofony te wykorzystywane są szczególnie w pomiarach akustyki budowlanej. 

Wymagania normatywne i korzyści z wewnętrznej walidacji

Zasady budowy, specyfikacje i metody wzorcowania mikrofonów pomiarowych definiowane są w głównej mierze przez serię norm IEC 61094, definiującą wymagania względem mikrofonów, urządzeń kalibracyjnych i metodyk pomiarowych. Norma ta definiuje dopuszczalne tolerancje czułości, płaskości charakterystyki częstotliwościowej, a także stabilność parametrów w zależności od zmian temperatury, wilgotności i ciśnienia statycznego. 

Mikrofony, mimo swojej precyzji, są urządzeniami delikatnymi. Narażenie na zanieczyszczenia, upadki czy skrajne warunki środowiskowe może prowadzić do zmiany napięcia polaryzacji, uszkodzenia membrany lub mikropęknięć. Z tego względu zaleca się okresowo weryfikować takie parametry jak czułość i odpowiedź kapsuły mikrofonowej. 

Korzyści z okresowej, wewnętrznej weryfikacji metrologicznej:

​

• Minimalizacja ryzyka: Wykrycie dryfu parametrów przed rozpoczęciem długotrwałej i kosztownej kampanii pomiarowej.
• Integralność danych: Pewność, że w przypadku wystąpienia nieoczekiwanych wyników pomiarów na obiekcie, błąd nie leży po stronie toru pomiarowego.
• Optymalizacja kosztów zewnętrznych: Rzadsza potrzeba wysyłania sprzętu do akredytowanych laboratoriów, jeśli wewnętrzne testy wykazują stabilność parametrów w czasie.

Sprzęgacz akustyczny

Sprzęgacz akustyczny to zamknięta, sztywna wnęka (kawita) o precyzyjnie określonej objętości, do której wprowadza się mikrofon wzorcowy (referencyjny) oraz testowany. Podstawową zasadą działania jest tu wzorcowanie przez porównanie.

Wykorzystując to rozwiązanie (czego przykładem jest sprzęgacz Spektra SQ-6), wewnątrz zamkniętej wnęki generowane jest ciśnienie akustyczne za pomocą wbudowanego źródła dźwięku. Podstawowym warunkiem poprawności pomiaru jest to, aby długość fali akustycznej była znacznie większa niż wymiary wnęki sprzęgacza. Tylko wtedy wewnątrz panuje jednorodne pole ciśnieniowe (brak zjawisk falowych i węzłów ciśnienia). Metodologia ta opiera się na normie IEC 61094-5.

• Pola akustyczne a pomiar: Sprzęgacz wyznacza ciśnieniową odpowiedź częstotliwościową (pressure response). Oznacza to, że ciśnienie działa równomiernie na całą powierzchnię membrany. W pomiarach rzeczywistych często operujemy w polu swobodnym (free field - fala dociera z jednego, określonego kierunku, a sam mikrofon staje się przeszkodą uginającą falę). Aby uzyskać charakterystykę swobodną z pomiaru w sprzęgaczu, należy zastosować odpowiednie poprawki matematyczne, charakterystyczne dla danego modelu mikrofonu.
• Zalety i wady: Zaletą sprzęgaczy pokroju Spektra SQ-6 jest doskonała powtarzalność, izolacja od hałasu otoczenia oraz wysoka dokładność w paśmie niskich i średnich częstotliwości. Główną wadą jest ograniczenie górnej częstotliwości pomiarowej (zazwyczaj do kilku kHz) – powyżej tej granicy wymiary wnęki stają się porównywalne z długością fali, co wywołuje rezonanse przestrzenne fałszujące wynik.

Spektra SQ-6

Jest to najnowsza konstrukcja sprzęgacza akustycznego zaprezentowana przez Spektre. Urządzenie oferuje szeroki zakres pomiary w dziedzinie częstotliwości i amplitudy pokrywający pasmo 10 Hz - 20 kHz do poziomu 114 dB i 16 Hz - 5 kHz między poziomem 140-148 dB. Doprowadzony system do kabiny sprzęgającej jest rejestrowany przez dwa mikrofony pomiarowe, stanowiące badany obiekt oraz referencję. Na tej podstawie wyznaczana jest faktyczna czułość mikrofonu w szerokim zakresie częstotliwości. urządzenie spełnia wymagania normy IEC 61094-5 dla mikrofonów pomiarowych i (IEC 61672 dla mierników dźwięku. 

Pobudnik elektrostatyczny (Electrostatic Actuator)

Gdy konieczna jest weryfikacja mikrofonu w wyższym paśmie częstotliwości, naturalnym wyborem staje się pobudnik elektrostatyczny. Klasycznym systemem tego typu jest zestaw GRAS RA0014 (sam pobudnik) sprzęgnięty ze wzmacniaczem GRAS 14AA.

Pobudnik to w praktyce sztywna, metalowa siatka, którą montuje się w bardzo małej, ściśle określonej odległości od metalowej membrany mikrofonu testowego (zazwyczaj wymaga to zdjęcia siatki ochronnej mikrofonu).

Wzmacniacz (np. GRAS 14AA) podaje na pobudnik wysokie napięcie stałe (polaryzujące  800V) nałożone na zmienne napięcie sygnału testowego. Powstające pole elektryczne generuje zmienną siłę elektrostatyczną, która "ciągnie" i "pcha" membranę w sposób niemal identyczny, jak zrobiłoby to równomierne ciśnienie akustyczne.

• Pola akustyczne: Podobnie jak sprzęgacz, pobudnik weryfikuje czystą odpowiedź mechaniczną membrany (odpowiadającą odpowiedzi w polu ciśnieniowym). Pomija on jednak całkowicie zjawiska dyfrakcyjne (ugięcia fal) spowodowane przez fizyczny kształt obudowy mikrofonu oraz jego siatkę ochronną. Dlatego też, aby ocenić zachowanie mikrofonu w polu swobodnym lub rozproszonym, konieczne jest dodanie poprawek dyfrakcyjnych dostarczanych przez producenta mikrofonu.
• Zalety i wady: Metoda jest stabilna i powtarzalna, odporna na szumy z zewnątrz i pozwala na wzorcowanie aż do bardzo wysokich częstotliwości (nawet ponad 100 kHz dla specjalnych mikrofonów 1/8 i 1/4 cala), ponieważ nie jest ograniczona rezonansami wnęki akustycznej. Wadą jest trudność w stosowaniu w przypadku mikrofonów bez metalowych membran oraz to, że pomiar nie uwzględnia wpływu siatki ochronnej (tzw. protection grid) na odpowiedź akustyczną.

Przenośna komora bezechowa

Jeśli aplikacja wymaga fizycznej weryfikacji mikrofonu wraz z jego obudową i siatką ochronną w faktycznym polu swobodnym, bez konieczności stosowania matematycznych korekcji z pola ciśnieniowego, z pomocą przychodzą zminiaturyzowane komory bezechowe, takie jak Spektra SQ-101.

Urządzenie to jest w istocie zredukowaną wersją klasycznej komory. Jej wnętrze wyłożone jest odpowiednio ukształtowane poprzez kliny akustyczne, a wewnątrz umieszczone jest referencyjne źródło dźwięku.

• Ograniczenia i specyfika: Największym ograniczeniem tego rozwiązania są prawa fizyki. Zdolność klinów akustycznych do pochłaniania fali zależy od ich fizycznej długości. Z tego powodu przenośne komory bezechowe mają relatywnie wysoką dolną częstotliwość odcięcia (często poprawnie generują pole swobodne dopiero od poziomu kilkuset Hz). W porównaniu do pobudnika i sprzęgacza akustycznego komory nie pozwolą na weryfikację charakterystyki przy najniższych częstotliwościach. Relacja między przestrzenią pomiarową, a dolną częstotliwością odcięcia, wymaga również sporych rozmiarów takiej przestrzeni. Trzeba tutaj zauwazyć, że tego typu komory nie mają jedynie zadania odizolować dźwięków dochodzących z zewnątrz ale zapewnić arunki możliwe bliskie warunkom pola swobodnego.

Spektra SQ-101

SQ-101 jest przenośną komorą bezechową, pozwalającą na przeprowadzenie pomiarów w warunkach pola swobodnego. Główną zaletą komory jest niska częstotliwość odcięcia wynoszaca 125 Hz poziom generowanego ciśnienia akustycznego w zakresie 64-124 dB. Taka komora może zostać ustawiona w dowolnym pomieszczeniu o kontrolowanym poziomie tła akustycznego, bez potrzeby dodatkowych adaptacji. Komora spełnia wymagania IEC 61094-8 dla mikrofonów pomiarowych i IEC 61672 dla mierników dźwięku. 

 Podsumowanie

Weryfikacja odpowiedzi częstotliwościowej mikrofonów pomiarowych nie musi oznaczać konieczności budowy pełnowymiarowej komory bezechowej. Każde z zaprezentowanych rozwiązań ma swoje ścisłe uzasadnienie inżynierskie:

• Sprzęgacz akustyczny to idealne, kompaktowe rozwiązanie dla niskich i średnich częstotliwości (wyznaczające pomiar ciśnieniowy).
• Pobudnik elektrostatyczny jest niezastąpiony przy walidacji mikrofonów w szerokim paśmie aż do bardzo wysokich częstotliwości, bazując na bezpośrednim pobudzaniu siłami elektrycznymi.
• Przenośna komora bezechowa dostarcza rzeczywistych wyników dla pola swobodnego (włączając w to całą geometrię mikrofonu), choć jej skuteczność ograniczona jest w dolnych zakresach pasma ze względu na rozmiary.

Systematyczna, wewnętrzna weryfikacja torów pomiarowych za pomocą powyższych narzędzi buduje niezawodność testów. Dla inżyniera oznacza to pewność, że przeprowadzane przez nich testy są wiarygodne i obarczone błędem wynikającym z aparatury pomiarowej. W kontekście pomiarów wielo mikrofonowych, rozpoczęcie wewnętrznych walidacji będzie dużą oszczędnością zarówno budżetu jak i czasu związane z wysyłką mikrofonów do zewnętrznego laboratorium.