Ljud hänvisar till tryckfluktuationer som fortplantar sig genom ett medium (luft, vätska eller andra medier som är märkbara för det mänskliga örat). Trycksvängningar/ljud omvandlas till elektroniska signaler av trumhinnan och överförs till hjärnan. Hjärnan tar emot dessa signaler och identifierar olika ljudformer som musik, tal och brus baserat på deras egenskaper.
En mikrofon fungerar på samma sätt som trumhinnan. Du kan sedan samla in information om egenskaperna hos ljudets utbredningsväg från ljudkällan till mikrofonen genom att spela in och analysera dessa signaler. Till exempel, vid tester av buller, vibrationer och akustisk ojämnhet vill ingenjörer ofta minska oönskade ljud, till exempel de som påverkar passagerarnas komfort under körning. Brus kan vara ljud över eller under det frekvensområde som hörs för det mänskliga örat, eller ljudets amplitud vid en resonansfrekvens. Dessa mätningar är avgörande för konstruktionsingenjörer som behöver minska buller för att möta emissionsstandarder eller analysera utrustningens prestanda och livslängd.
Arbetsprinciper för mikrofoner När man designar mikrofoner finns det olika alternativ tillgängliga, men externt polariserade kondensatormikrofoner, för-polariserade elektretkondensatormikrofoner och piezoelektriska mikrofoner är de mest använda mätmikrofonerna.
1. Kondensatormikrofoner
En kondensatormikrofon är en typ av mikrofon baserad på en kondensatordesign. En kondensatormikrofon använder ett metallmembran som ett substrat för en kondensator. En metallplåt intill membranet tjänar som det andra substratet. När ljudfältet exciterar diafragman ändras kapacitansen mellan de två substraten med ljudtrycksnivån. Att applicera en stabil DC-spänning på substraten genom ett högt motstånd behåller laddningen på substraten. Kapacitansändringen ger en AC-utgång som är proportionell mot ljudtrycksnivån. Pre-polariserade mikrofoner kan ladda kondensatorn med hjälp av en extern polarisationsspänning eller materialets inneboende egenskaper. Externt polariserade kondensormikrofoner kräver en 200V matningsspänning. Pre{10}}polariserade mikrofoner drivs av en IEPE-förförstärkare som kräver en konstant strömkälla.
2. Piezoelektriska mikrofoner
Piezoelektriska mikrofoner använder en kristallstruktur för att generera en bakplansspänning. Många piezoelektriska mikrofoner använder samma signalkonditioneringsmekanism som accelerometrar, och vissa använder också IEPE-signalkonditionering för att tillhandahålla polarisationsspänningen. Även om den här typen av sensorer har låg känslighet, är den hållbar och kan mäta höga-amplitudljudtrycksnivåer. Bakgrundsljudnivån för denna typ av mikrofon är dock vanligtvis hög. Denna design är lämplig för applikationer för mätning av stöttryck och sprängtryck.
Hur man väljer rätt mikrofon
Svarsfält
När man väljer en mikrofon måste man ta hänsyn till vilken typ av fält den verkar inom. Mikrofoner delas in i tre typer: fritt-fält, tryck-fält och diffust-fält. Även om dessa mikrofoner fungerar på liknande sätt vid låga frekvenser, skiljer sig deras funktion avsevärt vid höga frekvenser.
Fria-fältmikrofoner mäter ljudtrycket som avges direkt från en enda ljudkälla vid mikrofonmembranet. Dessa sensorer mäter ljudtrycket som finns innan mikrofonen går in i ljudfältet. Dessa mikrofoner är bäst lämpade för öppna ytor utan hårda eller reflekterande ytor. Ekofria kamrar eller mer öppna ytor är idealiska för gratis-fältmikrofoner.
Tryck-fältmikrofoner mäter ljudtrycket framför diafragman. Dess amplitud och fas är desamma vid vilken punkt som helst inom fältet, och dess våglängd är relativt kort. De finns vanligtvis i slutna utrymmen eller håligheter. Exempel på applikationer för tryck-fältsensorer inkluderar väggtryckstestning, vingtryckstestning och trycktestning av inre strukturer som rör, kolloider och kaviteter.
I vissa fall kommer ljudet inte från en enda källa. Diffusa-fältmikrofoner ger ett enhetligt svar på ljud som kommer samtidigt från olika riktningar. Dessa typer av mikrofoner är lämpliga för att mäta ljud i kyrkor eller andra miljöer med hårda reflekterande väggar. Men för de flesta mikrofoner är tryckfälts- och diffusionsfältssvaren likartade, så tryckfältsmikrofoner används ofta även för diffusionsfältsmätningar.
Dynamiskt omfång
Den primära standarden för att beskriva ljud är baserad på amplituden av ljudtrycksfluktuationer. Den lägsta ljudtrycksamplitud som det mänskliga örat kan uppfatta är 20 delar per miljon (20 μPa). Att använda Pascal för att uttrycka ljudtryck är vanligtvis för litet och svårt att bearbeta, så decibel (dB) används vanligtvis som måttenhet. Detta logaritmiska förhållande beskriver mer exakt det mänskliga örats svar på ljudtrycksvibrationer.
Tillverkarna anger det maximala decibelvärdet baserat på mikrofonens design och fysiska egenskaper. Det maximala decibelvärdet hänvisar till ljudtrycksnivån vid vilken membranet närmar sig bakplattan, eller när den totala harmoniska distorsionen (THD) når ett specificerat värde (vanligtvis 3 % THD). I en given applikationsmiljö beror den maximala decibeleffekten för en mikrofon på den tillförda spänningen och mikrofonens känslighet. Innan vi beräknar det maximala decibelutgångsvärdet för en mikrofon med hjälp av en specifik förförstärkare och dess motsvarande toppspänning, måste vi först beräkna den maximala ljudtrycksnivån som mikrofonen tål. Ljudtrycksnivåvärden (SPL) kan beräknas med följande formel:
P=Pa, där spänningen är förförstärkarens toppspänning.
När den maximala SPL vid mikrofonens toppspänning har bestämts kan SPL konverteras till decibel med hjälp av följande formel:
Där P är tryck uttryckt i Pascal och P0 är referensen SPL (en konstant,=0.00002 Pa).
Denna formel ger det maximala mätbara SPL-värdet när mikrofonen används med en specifik förförstärkare. För att fastställa den erforderliga lägsta ljudnivån eller SPL, se mikrofonens moduls termiska brusklassificeringsstandard. CTN-specifikationen ger det lägsta detekterbara SPL-värdet, vilket är högre än mikrofonens inneboende elektriska brus. Figur 6 visar typiska brusnivåer när mikrofonen används med en förförstärkare vid olika frekvenser.
När du väljer mikrofon är det viktigt att se till att det uppmätta tryckvärdet faller mellan mikrofonens CTN-värde och dess maximala nominella decibelvärde. I allmänhet gäller att ju mindre mikrofondiametern är, desto högre är den övre gränsen för decibelvärdet. Mikrofoner med större diameter har vanligtvis lägre CTN-värden och används därför ofta för låg-decibelmätningar.
Frekvenssvar
Efter att ha bestämt vilken typ av mikrofonfält som krävs och dynamiskt omfång, se mikrofonspecifikationerna för att bestämma det användbara frekvensområdet. Mikrofoner med mindre diameter har vanligtvis en högre övre frekvensgräns. Omvänt har mikrofoner med större diameter högre känslighet och är bättre lämpade för låg-detektion.
Tillverkare ställer i allmänhet in frekvenstoleransen till ±2dB. När man jämför olika mikrofoner är det viktigt att kontrollera deras frekvensområden och toleranserna för specifika frekvensområden. Om applikationskraven inte är höga och den ökade decibeltoleransen ligger inom acceptabla gränser, kan mikrofonens användbara frekvensområde förbättras. Du kan bekräfta med tillverkaren eller hänvisa till en mikrofonkalibreringstabell för att fastställa det faktiska användbara frekvensområdet som motsvarar en specifik decibeltolerans.
Polarisationstyp
Traditionella externt polariserade mikrofoner och nyare pre-polariserade mikrofoner är lämpliga för de flesta applikationer, men det finns skillnader mellan de två. Externt polariserade mikrofoner är mer lämpade för temperaturområden på 120 grader till 150 grader, så de rekommenderas för miljöer med hög-temperatur. Pre-polariserade mikrofoner är mer lämpade för fuktiga miljöer. Plötsliga temperaturförändringar kan orsaka kortslutningar i den interna kondensatorstrukturen hos externt polariserade mikrofoner.
Eftersom externt polariserade mikrofoner kräver en specifik 200V spänning, kan endast 7-kablar och LEMO-kontakter användas i deras konfiguration. Nyare förpolariserade mikrofoner, som drivs av en konstant strömkälla på 2-20mA, är lättare att använda och därför mer populära. Med denna konfiguration kan standard- och koaxialkablar och BNC- eller 10-32-kontakter användas för att mata ström och signaler till läsenheten.
Temperaturområde
Mikrofonens känslighet minskar när omgivningstemperaturen når sin högsta angivna temperatur. Vi måste ta hänsyn till både mikrofonens drift- och lagringstemperaturer. Användning eller förvaring under extrema förhållanden kan påverka mikrofonen negativt och öka kalibreringskraven. I de flesta fall är systemets förförstärkare den begränsande faktorn för driftstemperaturområdet. Även om en hög temperatur på 120 grader inte påverkar känsligheten hos de flesta mikrofoner, är den nödvändiga förförstärkaren begränsad till drift i miljöer mellan 60 grader och 80 grader.
Mikrofonsignalkonditionering
När du förbereder dig för att mäta en mikrofon med DAQ-utrustning, överväg följande punkter för att säkerställa att alla dina signalkonditioneringskrav är uppfyllda:
Förstärkning för att förbättra mätnoggrannheten och signal-till-brusförhållande
Nuvarande excitation för att driva IEPE-sensorns förförstärkare
AC-koppling för att eliminera DC-bias, förbättra upplösningen och fullt ut utnyttja hela ingångsenhetens räckvidd
Filtrering för att eliminera externt-högfrekvent brus
Korrekt jordning för att eliminera brus som genereras av ström mellan olika jordpotentialer
Dynamiskt område för att mäta hela amplitudområdet för mikrofonen
