Актюатор и самостоятельная калибровка микрофона, определение его АЧХ в полосе от 20 до 20 кГц

[Evgeni45]

Проводя акустические измерения подчас неизвестно а какое все таки реальное звуковое давление показывают приборы, по сути измеряется и делается анализ некоего напряжения, снимаемого с микрофона. По сути измерения делаются в "попугаях".
Привязать это напряжение к реальному звуковому давлению можно с помощью пистонфона или калибраторов, которые дают известное звуковое давление, например 124 или 94 дБ. Если Вы имеете механический пистонфон, то им можно оценить АЧХ микрофонона от самых низких частот до примерно 250-300 Гц, для этого достаточно просто изменять напряжение питания двигателя пистонфона и менять его обороты. О пистонфоне см. здесь. https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=68802
А вот на более высоких частотах посложнее. Для калибровки нам необходимо изготовить электростатический актюатор, Ну это просто пластинка с дырочками, чем больше дырочек, тем лучше, расположенная на расстоянии 0.4 - 0.8 мм от мембраны микрофона. Фото самодельного актюатора прилагаю. За счет сил электростатического притяжения и отталкивания на мембрану оказывается давление, которое не зависит от частоты. Актюатор рассчитан на микрофоны у которых можно оголить мембрану, например М101 или др. подобные. На пластину актюатора подается постоянное напряжение 200В через резистор 10 Мом и возбуждающее напряжение от обычного звукового генератора через конденсатор 5-10 тыс пФ. Для классического микрофона М101 звуковое давление при напряжении возбуждения 12В и зазоре 0.4 мм составляет 70 дБ, что позволяет делать калибровку в обычной комнате. Актюатор перекрывает диапазон от десятков Гц до 20 кГц и выше.
Ачх снимается так: сначала пистонфоном привязываемся к известному звуковому давлению на частоте 250 Гц, затем имитируем это давление актюатором и повышаем частоту. На рис. приведена АЧХ измерительного микрофона М101, снятая актюатором. Как видим классический 1" микрофон дает завал на частотах выше 2-3 кГц. Но зато не имеет ни пиков, ни провалов. Так задумано производителем.
Это не просто так. Дело в том, что при измерениях в реальном звуковом поле когда размеры микрофона приближаются к половине длины звуковой волны возникает явление повышения звукового давления вблизи мембраны, и чем больше частота тем больше повышение давления за счет отражения волн от микрофона (удвоение давления) и за счет суммирования энергии падающих волн, когда предыдущая волна еще не обогнула микрофон. Вот это то и учитывается производителем. Он пытается сделать АЧХ микрофона горизонтальной для т.н. свободного поля. См. АЧХ данную производителем ООО Измеритель.
А что делать нам. Мы не знаем характеристику поля, то ли оно свободное, то ли диффузное.
Предлагаю простой способ откорректировать АЧХ под наше конкретное поле, опираясь на АЧХ измерительного микрофона, снятую актюатором.
Как известно, чем меньше диаметр микрофона, тем выше частота завала от вышеописанных причин. Вот и используем микрофон диаметром 6 мм, у него завал начинается от 18 -20 кГц. Используем метод относительных измерений, когда АЧХ этого маленького микрофона не важна.
Делаем так. Размещаем маленький микрофон в той точке поля, которая нам интересна, делаем замеры либо чистым тоном, либо шумовым сигналом, затем на маленький микрофончик одеваем насадку, имитирующую наш измерительный микрофон, получаем как раз ту самую разницу, которую надо добавить к АЧХ микрофона, измеренную актюатором. И так делаем для различных частот. Вот эта самая разница и будет соответствовать тому полю, которое мы имеем.
Таким образом мы можем устранить неопределенность при проведении измерений на высоких частотах.
Полученная откорректированная АЧХ измерительного микрофона и используется в дальнейшем, в том числе для контроля АЧХ рабочих микрофонов.


Евгений
Москва
8 985 480 66 12

[Бока]

В мёртвой тишине раздался слабый голос из толпы. дяденька.... мы тут люди темные, надоумь, скажи нам, чем диффузное поле от свободного отличается.
Тады - может быть- скумекаем)))
В дополнение - байка из интернета: Только малограмотный на вопрос как найти площадь Ленина - умножает ширину на длину. Настоящий учёный берёт интеграл по поверхности.

[Malinovsky D]

чем диффузное поле от свободного отличается.

Я тоже немного плаваю в этом вопросе.

В диффузном одинаковая вероятность прихода излучения с любого угла от оси - от 0 до 180.

Свободное поле - поле от источника без отражений.

Оба варианта идеализированы.

При настройке АС смешиваются поля свободное (от АС) и диффузное (от комнаты)

[Evgeni45]

Все справедливо. Если просто, то свободное это когда в чистом бесконечном поле без травы и деревьев установлена колонка, а микрофон расположен от нее на расстоянии 5-10 длин волн на наинизшей частоте. Для свободного поля характерно линейное ослабление звукового давления от расстояния. В реалиях это не достижимо.
Диффузное поле это когда в помещении все стены пол, потолок, двери окна являются 100% отражающими да к тому же еще и расположены под наклоном друг к другу.
Звуковое давление во всех точках помещения должно быть вроде как одинаково. В бытовых реалиях тоже не достижимо.
Теперь посмотрим на калибровочную АЧХ классического микрофона М101 или Брюля. Реально и обьективно измеряется АЧХ от актюатора, она имеет сильный завал на выс частотах.
Например, возьмем частоту 8 кГц, реально микрофон может дать выходной сигнал отличающийся на 8 дБ от кривой калибровки полем давления (актюатором) до прямой свободного поля. Реально тип поля у нас нам неизвестен.
Так вот метод, замещения, который я описал, позволяет существенно снизить неопределенность показаний микрофона и свести ее до +- 1 дБ всего. Т.е. в показаниях микрофона некий смешанный тип поля будет учтен.

[Бока]

Евгений, спасибо вам за простое объяснение такой сложной темы.

[straus]

Замечание: если на фото Acer 2410 - не пользоваться микрофонным входом, АЧХ кривая.

[Evgeni45]

Конечно, используется только Lin вход

[straus]

Конечно, используется только Lin вход

(Упс, заметил, что три гнезда. У меня на таком только микрофонных вход, так что внешняя звуковуха и не иначе..)

[Бока]

ачх встроенной в ноут звуковой карты может быть просто чудовищной. Поэтому работаю выносной юсб, ещё проверяю сквозную ачх выход-вход. Иначе тьма.

[теоретизирующий практик]

на маленький микрофончик одеваем насадку, имитирующую наш измерительный микрофон

Не припомню где, читал, что защитная решетка, наворачиваемая перед мембраной М101 не только защитную функцию выполняет, но, имея определённую конфигурацию, ещё и корректирует АЧХ микрофона в верхней полосе. Если это так, то насадка не совсем точно будет имитировать наш измерительный микрофон.

[Sonic5309]

Защитная решетка (grid) действует как акустический резонатор. Анатолий, я Вам в ЛС скину файлик с интересной информацией. Там есть ответы на многие вопросы.

[Dzymytch]

А вот на более высоких частотах посложнее. Для калибровки нам необходимо изготовить электростатический актюатор, Ну это просто пластинка с дырочками, чем больше дырочек, тем лучше, расположенная на расстоянии 0.4 - 0.8 мм от мембраны микрофона. Фото самодельного актюатора прилагаю.

Конструкция электростатического актюатора, вообще говоря, является стандартизированной и для 1" и 0.5" микрофонов оговорена в стандарте IEC 61094-6.
Так же надо иметь ввиду, что в некоторых микрофонах защитная сетка отделена от корпуса микрофона защитным диэлектрическим кольцом, таким образом формируя сетку актуатора. Пример как тут:


Для 1" микрофонов стандартным является расстояние между мембраной и актюатором является 0.5мм. Для 0.5" - 0.4мм.
Величина постоянного напряжения поляризации рекомендовано выбирать 800V и 30V переменного. А вообще говоря, величина переменного напряжения выдирается исходя из минимизации второй гармоники, которая равняется:

Это не просто так. Дело в том, что при измерениях в реальном звуковом поле когда размеры микрофона приближаются к половине длины звуковой волны возникает явление повышения звукового давления вблизи мембраны, и чем больше частота тем больше повышение давления за счет отражения волн от микрофона (удвоение давления) и за счет суммирования энергии падающих волн, когда предыдущая волна еще не обогнула микрофон. Вот это то и учитывается производителем. Он пытается сделать АЧХ микрофона горизонтальной для т.н. свободного поля. См.

А что делать нам. Мы не знаем характеристику поля, то ли оно свободное, то ли диффузное.

Предлагаю простой способ откорректировать АЧХ под наше конкретное поле, опираясь на АЧХ измерительного микрофона, снятую актюатором.
Как известно, чем меньше диаметр микрофона, тем выше частота завала от вышеописанных причин. Вот и используем микрофон диаметром 6 мм, у него завал начинается от 18 -20 кГц. Используем метод относительных измерений, когда АЧХ этого маленького микрофона не важна.

С 50-ых существуют аналитические модели вычисления дифракционных поправок микрофонов. Эти поправки зависят как от диаметра микрофона, так и от конструкции крепления мембраны. Но пользуясь современными программами, вроде Comsol Multiphysics, эти поправки можно вычислить более точно учитывая и геометрические особенности, и термоакустические эффекты. В противном случае надо использовать первичные методы калибровки - метод взаимности (можно так же измерить используя ударную волну дугового разряда, но это весьма сложный метод, в котором необходимо точно знать аппаратную функцию и делать деконволюцию ответа микрофона и аппаратной функции источника ударной волны, да и этот метод не является стандартизированным, поэтому квалификация измеряющего будет иметь большое значение). А что касается завалов, то у 0.25" микрофонов завал в актрюаторном отклике начинается начинается с ~3кГц



так что дифракционные поправки придется вычислять в любом случае, если нету возможности их измерить

Делаем так. Размещаем маленький микрофон в той точке поля, которая нам интересна, делаем замеры либо чистым тоном, либо шумовым сигналом.

Допустим, измерили. На выходе имеет суммарную АЧХ: источник+помещение+микрофон.

затем на маленький микрофончик одеваем насадку, имитирующую наш измерительный микрофон, получаем как раз ту самую разницу, которую надо добавить к АЧХ микрофона, измеренную актюатором.

Я не совсем понял к чему вообще выполнять этот шаг, зачем вообще какая-то насадка, какую функцию она выполняет ? Опишите попунктно-пошагово измерения с подробными пояснениями каждого шага измерений.

[Sonic5309]

Форумчане! В вложении есть ответы на многие вопросы. С уважением ПЕТР

[Evgeni45]

Уважаемый Dzymytch, не могли бы Вы дать действующую ссылочку на стандарт IEC 61094-6, или выложить его здесь..

[Dzymytch]

Уважаемый Dzymytch, не могли бы Вы дать действующую ссылочку на стандарт IEC 61094-6, или выложить его здесь..

Евгений, напишите свою электрическую пошту, скину в ящик.

[Evgeni45]

r_evgeni45@mail.ru

[Dzymytch]

r_evgeni45@mail.ru

Выслал.
На местный вегалабовский фтп можно файлы самому закидывать или у Конкере надо просить чтобы он залил ?

[Evgeni45]

С любезного разрешения Дмитрия (Dzymytch) выкладываю британский стандарт по актюаторам. Информация очень полезная. И может послужить основой для самостоятельного изготовления актюаторов и опытов с ними.

Евгений.

[Flaesh]

ачх встроенной в ноут звуковой карты может быть просто чудовищной..

может быть, может не быть:

[Бока]

В дорогих ноутах и карта приличная. А если свою встроенную выложу- то это позор нации.
А встроенная в системный блок АС97 - вполне пригодная для измерений. Хотя там что-то было неважно в плане пролезания сигнала с выхода на вход(кросстолк)