Wybór odpowiedniego mikrofonu pomiarowego jest kluczowym momentem w procesie konstruowania systemu pomiarowego. Nieodpowiedni typ może spowodować otrzymanie zafałszowanych wyników, nienadających się do późniejszej analizy. W poniższym artykule przyjrzymy się typom mikrofonów pomiarowych ze względu na wykorzystanie ich w konkretnych polach akustycznych.
 

Pola akustyczne

W pierwszej kolejności przyjmy się trzem rodzajom pól akustycznych, których cechy charakterystyczne determinować będą wybór mikrofonu pomiarowego.

Pole swobodne

Swobodne pole akustyczne definiowane jest jako przestrzeń, w której nie występują żadne fale odbite. Z tego względu do mikrofonu pomiarowego będą docierać jedynie bezpośrednie fale dźwiękowe. Takie warunki są spełniane przez komory bezechowe, czyli specjalnie zaprojektowane pomieszczenia pomiarowe, z absorberami pochłaniającymi dźwięk. Należy pamiętać, że względów technicznych związanych z wymiarami komory bezechowej, wymiarami fal akustycznych i właściwościami ustrojów je pochłaniających, spełnienie warunków pola akustycznego w dolnych pasmach częstotliwości jest bardzo trudne. Z tego względu komory bezechowe, spełniają wymagania pola bezechowego, jedynie w ograniczonym paśmie częstotliwości.

Pole ciśnieniowe

Pole ciśnieniowe występuje na powierzchniach przegród lub w małych, zamkniętych przestrzeniach, w których faza i amplituda są takie same w całej objętości. Przykładem takiego pola jest kalibrator akustyczny lub sprzęgacz, symulujący charakterystykę ucha ludzkiego.

Pole rozproszone

W polu rozproszonym dźwięk dociera do odbiornika losowo z dowolnego kierunku. Przeważają tutaj fale odbite, powodując równy poziom ciśnienia akustycznego w całym polu. Przykładem takiej przestrzeni jest komora pogłosowa lub inne pomieszczenia charakteryzujące się dużym czasem pogłosu i twardymi powierzchniami o małym współczynniku pochłaniania.

Wpływ mikrofonu w polu akustycznym

Każdy obiekt umieszczony w polu akustycznym będzie powodował zakłócenia, wynikające z jego kształtu i rozmiaru. Przykładowo, zgodnie z normą IEC-61094-4 WS2P, półcalowe mikrofony pomiarowe powinny posiadać membranę o średnicy 12.6 mm, co w porównaniu do wymiarów fali akustycznej (szczególnie w zakresie wysokich częstotliwości), będzie stanowić wymiar wpływający na propagację fali akustycznej.

Przyjrzyjmy się zatem sytuacji, w której mikrofon pomiarowy został umieszczony w komorze bezechowej pod kątem 0° względem źródła o idealnie płaskiej odpowiedzi częstotliwościowej.

W przypadku wygenerowania przez źródło fali akustycznej o częstotliwości 100 Hz, mikrofon będzie “niezauważalny” dla fali akustycznej, nie wprowadzając żadnych zniekształceń. Powodem tego jest fakt dużej dysproporcji w długości fali o częstotliwości 100 Hz, która dla prędkości propagacji równej 344 m/s, wynosić będzie 3,4 metra, względem średnicy mikrofonu wynoszącej nieco ponad 12,6 mm. Tym samym zwiększy się teraz częstotliwość generowanego sygnału, jednocześnie zmniejszając długość fali akustycznej.

Dla tonu o częstotliwości 10 kHz, długość fali wynosi 34 mm (dla prędkości propagacji fali równej 344 m/s). W tym przypadku średnica mikrofonu będzie stanowiła realną przeszkodę powodując powstanie zjawiska dyfrakcji fali akustycznej.

Dyfrakcja akustyczna jest zjawiskiem załamania się fali na przeszkodzie, czego skutkiem jest powstanie wtórnej fali kulistej. Późniejsza interferencja fal bezpośrednich i wtórnych fal kulistych powoduje zwiększenie rejestrowanego poziomu ciśnienia akustycznego na membranie mikrofonu. Efekt ten rośnie wraz ze zmniejszaniem się długości fali, co można zaobserwować na poniższym wykresie.

Wykres 1 - Wzrost rejestrowanego ciśnienia akustycznego, wywołany efektem dyfrakcji w dziedzinie częstotliwości, dla mikrofonu o membranie ½ cala.

Wzrost częstotliwości, a w konsekwencji zmniejszenie długości fali akustycznej powoduje zwiększenie efektu dyfrakcji, co będzie przekładać się na kilku decybelowy błąd pomiarowy, powstały wyłącznie przez obecność mikrofonu w przestrzeni pomiarowej. Wielkość powstałego błędu pomiarowego będzie zależna również od ustawienia mikrofonu w polu pomiarowym, oraz od jego wymiarów. Wzrost ciśnienia może zostać złagodzony poprzez ustawienie mikrofonu pod kątem 45° lub 90° względem źródła dźwięku. Wpływ takiego ustawienia został przedstawiony na wykresie 2.

Krótsze fale akustyczne występujące w wyższym zakresie częstotliwości, powodują zmniejszenie dysproporcji pomiędzy rozmiarami przeszkody i fali, zwiększając efekt dyfrakcji. Z tego względu zastosowanie mikrofonu o mniejszej średnicy membrany, np. ¼” spowoduje delikatne przesunięcie rejestrowanego wzrostu ciśnienia akustycznego w wyższe pasmo częstotliwości, dając tym samym nieco więcej “miejsca” w słyszalnym zakresie pomiarowym. Porównanie wykorzystania mikrofonu ½” i ¼” przedstawiony został na poniższym wykresie.

Wzrost zarejestrowanego ciśnienia akustycznego, wywołany efektem dyfrakcji wymusza użycie w polu swobodnym specjalnie przystosowanych mikrofonów, niwelujących wpływ błędu na wynik końcowy. Przykład ten pokazuje jakie konsekwencje może mieć dobór nieodpowiedniego mikrofonu względem pola akustycznego.

Typy mikrofonów pomiarowych

W poprzednim punkcie omówiliśmy zniekształcenia wynikające z obecności mikrofonu w polu pomiarowym oraz sposoby mogące zmniejszyć zarejestrowany błąd. Poniżej skupimy się na opisie konkretnych rodzajów mikrofonów pomiarowych, pozwalających na wyeliminowanie błędów i zniekształceń.

Mikrofony pola ciśnieniowego

Mikrofony pola ciśnieniowego zostały zaprojektowane do rejestracji całkowitego ciśnienia akustycznego pobudzającego membranę. Oznacza to, że umieszczenie mikrofonu w polu swobodnym spowoduje zarejestrowanie zniekształcenia wynikającego z dyfrakcji fali akustycznej. Z tego względu mikrofon pola ciśnieniowego umieszcza się na granicy przegród lub w zamkniętych przestrzeniach, w których nie występuje efekt dyfrakcji.

Mikrofon pola swobodnego

Opisane w poprzednim rozdziale, zniekształcenia wynikające z efektu dyfrakcji, są głównym problemem w rejestracji poprawnych wyników pomiarów. Głównym celem mikrofonów pola swobodnego jest niwelowanie tych zniekształceń i wyrównanie rejestrowanego pasma częstotliwościowego. Proces ten odbywa się poprzez zwiększenie wewnętrznego tłumienia wkładki mikrofonu, powodującego zmniejszanie czułości mikrofonu, zgodnie ze wzrostem ciśnienia akustycznego spowodowanego lokalnym załamywaniem się fal.

Rysunek 3 - Mikrofon pola swobodnego umieszczony pod kątem 0° do źródła dźwięku.

Wartość wymaganej poprawki obliczana jest na podstawie pomiarów przeprowadzonych w polu swobodnym z wykorzystaniem mikrofonu, oraz źródła o znanej charakterystyce częstotliwościowej. Wygenerowany przez źródło bodziec, rejestrowany jest przez mikrofon razem z błędem wynikającym z efektu dyfrakcji (niebieska krzywa na wykresie 4), a następnie porównując znaną charakterystykę częstotliwościową z tą zmierzoną przez głośnik, określa się wartość wymaganej poprawki (czarna krzywa na wykresie 4). W ten sposób otrzymujemy faktyczne wartości pozbawione błędu pomiarowego (czerwona krzywa na wykresie 4). Należy zaznaczyć, że otrzymana wartość poprawki odnosi się do konkretnego kąta pomiarowego, a jego zmiana będzie się wiązać z potrzebą obliczenia nowej poprawki.

 

Mikrofon pola rozproszonego

W polu rozproszonym fale akustyczne dobiegają do mikrofonu ze wszystkich stron w sposób losowy, z równym poziomem ciśnienia akustycznego. Taka sytuacja, podobnie jak w polu rozproszonym, będzie skutkować błędem pomiarowym, wywołanym efektem dyfrakcji fal. Efekt ten będzie powodował jednak inne wartości niż te w polu swobodnym, dlatego mikrofon wykorzystywany w polu rozproszonym powinien posiadać poprawkę obliczoną w warunkach pola rozproszonego. Na poniższym wykresie niebieska krzywa odpowiada wartościom zarejestrowanym przez mikrofon, uwzględniającym efekt dyfrakcji fali, a krzywa czerwona określa wartości tłumienia wprowadzone we wkładce mikrofonu pola rozproszonego. Obie krzywe w rezultacie będą dawały zarejestrowaną odpowiedź, pozbawioną błędu wynikającego z dyfrakcji fal (czarna krzywa na Rysunku 5).

Rysunek 5 - Błąd pomiarowy wynikający z efektu dyfrakcji (krzywa niebieska), poprawka korygująca błąd pomiary (krzywa czerwona) i skorygowany wynik pomiarowy (krzywa czarna) w funkcji częstotliwości.

Różnice w rejestrowanych wartościach

Czułość mikrofonów pola rozproszonego i swobodnego jest odpowiednio skorygowana tak, aby zminimalizować lokalne wzrosty ciśnienia akustycznego na ich membranie. Odpowiedzialny za to efekt dyfrakcji nie występuje jednak w polu ciśnieniowym. Z tego względu mikrofonu tego typu, nie wymagają stosowania żadnych poprawek.

Poniższy wykres przedstawia odpowiedzi częstotliwościowe dla 3 rodzajów mikrofonów zarejestrowanych w polu ciśnieniowym, przy użyciu sprzęgacza akustycznego. Taki pomiar pozwala nam w prosty sposób zarejestrować różnice w mierzonych wartościach i skutki błędnego wykorzystania mikrofonu przystosowanego do innego pola akustycznego.
Wykres 5 - Zarejestrowane wartości ciśnienia akustycznego w polu ciśnieniowym przez trzy typu mikrofonów: mikrofon ciśnieniowy (krzywa pomarańczowa, mikrofon pola rozproszonego (krzywa zielona), mikrofon pola swobodnego (krzywa niebieska)

Różne kąty padania fali na membranę

Zgodnie z tym co przedstawiliśmy wcześniej, poprawka dla pola swobodnego zmienia się nie tylko w dziedzinie częstotliwości, ale również w dziedzinie kąta padania fali akustycznej na membranę. Z tego względu poprawne ułożenie mikrofonu pomiarowego będzie miało kluczowe znaczenie dla uzyskania poprawnych wyników badań. Większość mikrofonów pola swobodnego przystosowanych jest do ustawienia go na wprost (pod kątem 0°) względem źródła. Jeżeli nie jesteśmy w stanie wykonać pomiaru z poprawną orientacją mikrofonu, wynik należy skorygować względem poprawki podanej przez producenta.

Poniżej przedstawione zostały wartości poprawek dla zestawu mikrofonowego GRAS 40AE, uwzględniające różne kąty padania fali dźwiękowej. Poprawki związane z polem swobodnym i rozproszonym dla konkretnych mikrofonów marki GRAS, dostępne są na stronie grasacoustics.com.

Wykres 6 - Porównanie poprawki korygującej błąd pomiarowy, w zależności od częstotliwości i kąta padania fali akustycznej.