Heli viitab rõhukõikumistele, mis levivad läbi keskkonna (õhk, vedelik või muu inimkõrvaga tajutav keskkond). Rõhuvõnkumised/heli muudetakse kuulmekile abil elektroonilisteks signaalideks ja edastatakse ajju. Aju võtab neid signaale vastu ja tuvastab nende omaduste põhjal erinevad helivormid, nagu muusika, kõne ja müra.
Mikrofon töötab sarnaselt kuulmekilega. Seejärel saate neid signaale salvestades ja analüüsides koguda teavet heli levimistee omaduste kohta heliallikast mikrofoni. Näiteks müra, vibratsiooni ja akustilise kareduse testimisel soovivad insenerid sageli vähendada soovimatuid helisid, näiteks neid, mis mõjutavad reisijate mugavust sõidu ajal. Müra võib olla inimkõrvaga kuuldavast sagedusvahemikust kõrgem või madalam heli või heli amplituud resonantssagedusel. Need mõõtmised on üliolulised projekteerimisinseneride jaoks, kes peavad heitestandarditele vastamiseks müra vähendama või seadmete jõudlust ja eluiga analüüsima.
Mikrofoni tööpõhimõtted Mikrofonide kavandamisel on saadaval erinevad valikud, kuid kõige sagedamini kasutatavad mõõtmismikrofonid on välispolariseeritud kondensaatormikrofonid, -eelpolariseeritud elektreetkondensaatormikrofonid ja piesoelektrilised mikrofonid.
1. Kondensaatormikrofonid
Kondensaatormikrofon on teatud tüüpi mikrofon, mis põhineb kondensaatori konstruktsioonil. Kondensaatormikrofon kasutab kondensaatori ühe substraadina metallmembraani. Teise substraadina toimib membraaniga külgnev metallleht. Kui heliväli ergastab diafragmat, muutub kahe substraadi vaheline mahtuvus koos helirõhutasemega. Stabiilse alalispinge rakendamine aluspindadele läbi suure takisti säilitab aluspindadel laengu. Mahtuvuse muutus tekitab helirõhutasemega võrdelise vahelduvvoolu väljundi. Eelpolariseeritud mikrofonid võivad laadida kondensaatorit välise polarisatsioonipinge või materjali omadustega. Väliselt polariseeritud kondensaatormikrofonid vajavad 200 V toitepinget. Eel{10}}polariseeritud mikrofonide toiteallikaks on IEPE eelvõimendi, mis vajab pidevat vooluallikat.
2. Piesoelektrilised mikrofonid
Piesoelektrilised mikrofonid kasutavad tagaplaadi pinge genereerimiseks kristallstruktuuri. Paljud piesoelektrilised mikrofonid kasutavad sama signaali konditsioneerimismehhanismi nagu kiirendusmõõturid ja mõned kasutavad polarisatsioonipinge tagamiseks ka IEPE signaali konditsioneerimist. Kuigi seda tüüpi anduritel on madal tundlikkus, on see vastupidav ja suudab mõõta kõrge -amplituudiga helirõhutaset. Seda tüüpi mikrofoni taustamüra tase on aga tavaliselt kõrge. See disain sobib põrutusrõhu ja purunemisrõhu mõõtmiseks.
Kuidas valida õige mikrofon
Vastuse väli
Mikrofoni valimisel tuleb arvestada välja, milles see töötab. Mikrofonid jagunevad kolme tüüpi: vaba-väli, surve-väli ja hajus-väli. Kuigi need mikrofonid töötavad madalatel sagedustel sarnaselt, erineb nende töö kõrgetel sagedustel oluliselt.
Vaba{0}}väljamikrofonid mõõdavad helirõhku, mis kiirgab otse ühest heliallikast mikrofoni diafragmal. Need andurid mõõdavad enne mikrofoni helivälja sisenemist olemasolevat helirõhku. Need mikrofonid sobivad kõige paremini avatud aladele, kus pole kõvasid või peegeldavaid pindu. Kajavabad kambrid või rohkem avatud alad sobivad ideaalselt vaba{4}}väljamikrofonide jaoks.
Surve{0}}väljamikrofonid mõõdavad helirõhku diafragma ees. Selle amplituud ja faas on igas välja punktis samad ja selle lainepikkus on suhteliselt lühike. Neid leidub tavaliselt suletud ruumides või õõnsustes. Rõhu{4}}väljaandurite rakenduste näited hõlmavad seina rõhu testimist, tiibade rõhu testimist ja sisemiste struktuuride (nt torud, kolloidid ja õõnsused) survetestimist.
Mõnel juhul ei pärine heli ühest allikast. Hajus-väljamikrofonid reageerivad üheaegselt erinevatest suundadest tulevatele helidele. Seda tüüpi mikrofonid sobivad heli mõõtmiseks kirikutes või muudes kõvade peegeldavate seintega keskkondades. Enamiku mikrofonide puhul on rõhuvälja ja difusioonivälja reaktsioonid sarnased, seega kasutatakse rõhuvälja mikrofone sageli ka difusioonvälja mõõtmiseks.
Dünaamiline ulatus
Esmane heli kirjeldamise standard põhineb helirõhu kõikumiste amplituudil. Madalaim helirõhu amplituud, mida inimkõrv suudab tajuda, on 20 miljondikosa (20 μPa). Pascalite kasutamine helirõhu väljendamiseks on tavaliselt liiga väike ja raskesti töödeldav, seetõttu kasutatakse mõõtühikuna tavaliselt detsibelle (dB). See logaritmiline suhe kirjeldab täpsemalt inimkõrva reaktsiooni helirõhu vibratsioonile.
Tootjad määravad maksimaalse detsibelli väärtuse mikrofoni konstruktsiooni ja füüsiliste omaduste põhjal. Maksimaalne detsibelli väärtus viitab helirõhu tasemele, mille juures diafragma läheneb tagaplaadile või kui täielik harmooniline moonutus (THD) jõuab määratud väärtuseni (tavaliselt 3% THD). Antud rakenduskeskkonnas sõltub mikrofoni maksimaalne detsibelli väljund toitepingest ja mikrofoni tundlikkusest. Enne mikrofoni maksimaalse detsibelli väljundväärtuse arvutamist konkreetse eelvõimendi ja sellele vastava tipppinge abil peame esmalt arvutama maksimaalse helirõhutaseme, mida mikrofon talub. Helirõhutaseme (SPL) väärtusi saab arvutada järgmise valemi abil:
P=Pa, kus pinge on eelvõimendi tipppinge.
Kui maksimaalne SPL mikrofoni tipppingel on kindlaks määratud, saab SPL-i teisendada detsibellideks, kasutades järgmist valemit:
Kus P on rõhk, mida väljendatakse paskalites, ja P0 on võrdlus-SPL (konstant,=0.00002 Pa).
See valem annab maksimaalse mõõdetava SPL-i väärtuse, kui mikrofoni kasutatakse koos konkreetse eelvõimendiga. Nõutava minimaalse mürataseme või SPL-i määramiseks vaadake mikrofoni mooduli soojusmüra reitingustandardit. CTN-i spetsifikatsioon annab minimaalse tuvastatava SPL-i väärtuse, mis on kõrgem kui mikrofonile omane elektrimüra. Joonis 6 näitab tüüpilisi müratasemeid, kui mikrofoni kasutatakse eelvõimendiga erinevatel sagedustel.
Mikrofoni valimisel on oluline jälgida, et mõõdetud rõhu väärtus jääks mikrofoni CTN väärtuse ja selle maksimaalse nimidetsibelli väärtuse vahele. Üldiselt, mida väiksem on mikrofoni läbimõõt, seda kõrgem on detsibelli väärtuse ülempiir. Suurema läbimõõduga mikrofonidel on tavaliselt madalamad CTN väärtused ja seetõttu kasutatakse neid sageli madala -vahemiku detsibellide mõõtmiseks.
Sagedusvastus
Pärast vajaliku mikrofonivälja reaktsiooni tüübi ja dünaamilise ulatuse kindlaksmääramist vaadake kasutatava sagedusvahemiku määramiseks mikrofoni tehnilisi andmeid. Väiksema läbimõõduga mikrofonidel on tavaliselt kõrgem ülemine sageduspiir. Vastupidi, suurema läbimõõduga mikrofonidel on suurem tundlikkus ja need sobivad paremini madala-sageduse tuvastamiseks.
Tootjad määravad tavaliselt sagedustolerantsiks ±2 dB. Erinevate mikrofonide võrdlemisel on oluline kontrollida nende sagedusvahemikke ja kindlate sagedusvahemike tolerantse. Kui rakenduse nõuded ei ole kõrged ja suurenenud detsibellitaluvus on vastuvõetavates piirides, saab mikrofoni kasutatavat sagedusvahemikku parandada. Kindlale detsibellide tolerantsile vastava tegeliku kasutatava sagedusvahemiku määramiseks võite pöörduda tootja poole või vaadata mikrofoni kalibreerimistabelit.
Polarisatsiooni tüüp
Traditsioonilised välise polarisatsiooniga mikrofonid ja uuemad eelpolariseeritud{0}mikrofonid sobivad enamiku rakenduste jaoks, kuid nende kahe vahel on erinevusi. Väliselt polariseeritud mikrofonid sobivad paremini temperatuurivahemikus 120–150 kraadi, seega soovitatakse neid kasutada kõrgel temperatuuril{4}}. Eel-polariseeritud mikrofonid sobivad paremini niiskesse keskkonda. Äkilised temperatuurimuutused võivad välise polarisatsiooniga mikrofonide sisemise kondensaatori struktuuris põhjustada lühiseid.
Kuna välispolariseeritud mikrofonid nõuavad kindlat 200 V pinget, saab nende konfiguratsioonis kasutada ainult 7-kontaktiga kaableid ja LEMO-pistikuid. Uuemad eelpolariseeritud mikrofonid, mis töötavad konstantse 2-20 mA vooluallikaga, on lihtsamini kasutatavad ja seetõttu populaarsemad. Selle konfiguratsiooniga saab lugemisseadme voolu ja signaalide varustamiseks kasutada standard- ja koaksiaalkaableid ning BNC või 10-32 pistikuid.
Temperatuurivahemik
Mikrofoni tundlikkus väheneb, kui ümbritsev temperatuur saavutab maksimaalse määratud temperatuuri. Peame arvestama nii mikrofoni töö- kui ka säilitustemperatuuriga. Ekstreemsetes tingimustes kasutamine või ladustamine võib mikrofoni negatiivselt mõjutada ja suurendada kalibreerimisnõudeid. Enamikul juhtudel on töötemperatuuri vahemikku piiravaks teguriks süsteemi eelvõimendi. Kuigi kõrge 120-kraadine temperatuur ei mõjuta enamiku mikrofonide tundlikkust, on nõutav eelvõimendi tööks piiratud 60-80 kraadises keskkonnas.
Mikrofoni signaali konditsioneerimine
Kui valmistute DAQ-seadmetega mikrofoni mõõtma, arvestage järgmiste punktidega, et tagada kõigi signaali konditsioneerimisnõuete täitmine.
Võimendi mõõtmise täpsuse ja signaali{0}}/-müra suhte parandamiseks
Vooluergastus IEPE anduri eelvõimendi toiteks
Vahelduvvooluühendus, et kõrvaldada alalisvoolu nihe, parandada eraldusvõimet ja kasutada täielikult ära sisendseadme kogu ulatust
Filtreerimine välise kõrgsagedusliku-müra kõrvaldamiseks
Õige maandus, et kõrvaldada erinevate maanduspotentsiaalide vahel voolu tekitatud müra
Dünaamiline ulatus mikrofoni kogu amplituudivahemiku mõõtmiseks
