Современные методы поверки измерительных микрофонов

Основные операции поверки и калибровки микрофонов описаны в ГОСТ 8.153 — 75 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микрофоны измерительные конденсаторные. Методы и средства поверки». В этой статье мы разберем методики с использованием камеры малого объема, актюатора и безэховой камеры.

Поверка по давлению

При поверке по давлению, понимается факт того, что амплитуда и фаза звуковой волны в звуковом поле одинаковы во всех точках этого поля. Такие поля имеют место там, где размер полости мал по сравнению с длиной волны. Поля такого типа могут создаваться в акустических калибраторах, акустических актюаторах и пистофонах. Также к средствам, используемым при поверке измерительных микрофонов по давлению можно отнести камеру малого объема (КМО), которая позволяет одновременно проводить измерения с использованием эталонного и поверяемого микрофонов.

Поверка по свободному полю

Свободное поле — это пространство, где звуковые волны распространяются свободно и без каких-либо искажений, отражений или возмущений. Однако это очень сложно реализовать. На практике свободными полями, в которых можно реализовать поверку или калибровку выступают безэховые камеры или помещения, а также территории на открытом воздухе, расположенные в дали от отражающих поверхностей.

В результате все доступные методы поверки можем изобразить в виде диаграммы, представленной ниже. Дальше в статье мы рассмотрим каждый тип поверки.

Поверка с использованием камеры малого объема

Рассмотрим процесс процесс проведения поверки измерительного микрофона с использованием камеры малого объема. 

Камера малого объема ВС-323 производства «Висом»

Определение чувствительности выполняется следующим образом. Эталонный и поверяемый микрофоны помещаются в камеру малого объема, выходы микрофонов соединяются с измерительным прибором. К камере малого объема (КМО) также подключается выход генератора. Генерируя сигнал с определенной частотой, мы можем создавать в КМО соответствующее звуковое давление.

Первым шагом поверки с использованием камеры малого объема является измерение чувствительности поверяемого микрофона на базовой частоте. Для этого с выхода системы на вход камеры малого объема подается синусоидальный сигнал с частотой, равной базовой частоте поверяемого микрофона. Для расчета чувствительности поверяемого микрофона на базовой частоте используется следующая формула:

где

М_пов — чувствительность поверяемого микрофона на базовой частоте,
U_пов — измеренное системой напряжение на выходе поверяемого микрофона,
P — уровень звукового давления в камере малого объема.

Определение звукового давления в камере малого объема выполняется с помощью эталонного микрофона. Для этого используется следующая формула:

где

P — уровень звукового давления в камере малого объема,
U_эт — измеренное системой напряжение на выходе эталонного микрофона,
М_эт — чувствительность эталонного микрофона.

После выполнения измерений чувствительности необходимо выполнить измерения на всем рабочем диапазоне частот поверяемого микрофона, то есть определить частотную характеристику поверяемого микрофона. Чаще всего для этого применяется третьоктавная полоса частот. Для выполнения всех измерений необходимо последовательно подать с выхода системы на вход камеры малого объема синусоидальный сигнал с частотой, входящей в состав используемого частотного ряда. В результате измерений можно получить чувствительность поверяемого микрофона, на каждой из частот ряда. Для этого применяется следующая формула:

где

M — чувствительность поверяемого микрофона на текущей частоте,
U_пов — измеренное системой напряжение на выходе поверяемого микрофона,
U_эт — измеренное системой напряжение на выходе эталонного микрофона,
М_эт — чувствительность эталонного микрофона.

После определения чувствительности необходимо расчитать отклонение чувствительности от значения, полученного на базовой частоте. Для этого применяется следующая формула:

где

γ — процентное отклонение чувствительности поверяемого микрофона на i-той частоте от чувствительности на базовой частоте,
M_i — чувствительность поверяемого микрофона на i-той частоте,
M_баз — чувствительность поверяемого микрофона на базовой частоте.

Поверка с использованием калибратора и актюатора

Первым шагом в данном типе поверки, также как и в поверке с использованием камеры малого объема, является определение чувствительности поверяемого микрофона на базовой частоте.

Сначала эталонный микрофон помещается в калибратор с уже известным заранее уровнем звукового давления. Звуковое в давление в калибраторе повторно определяется эталонным микрофоном по формуле (2). Это необходимо для определения соответствия между установленным значением на самом калибраторе и измеренным значением.

После этого эталонный микрофон заменяется поверяемым, а затем выполняется измерение чувствительности поверяемого микрофона на базовой частоте. Значение чувствительности расчитывается по формуле (1).

Также стоит отметить, что при необходимости данный шаг также можно провести с использованием камеры малого объема, для которой процесс определения чувствительности на базовой частоте был описан ранее.

Следующим шагом является определение частотной характеристики микрофона. Для выполнения необходимо собрать следующую установку: выход микрофона подключается ко входу измерительного устройства, выход генератора подключается к актюаторному усилителю, а тот, в свою очередь, соединяется с актюатором.

Актюатор ВС-335 производства «Висом»

Наиболее распространенным и документированным из способов определения частотной характеристики микрофна с использованием актюатора является последовательное проведение измерений на всех частотах третьоктавного ряда из рабочего диапазона частот микрофона с помощью генерации синусодиального сигнала на каждой из частот. Для этого на базовой частоте устанавливается напряжение, которое позволяет выходному сигналу микрофона превышать шумы. После этого полученное напряжение последовательно подается на всех частотах третьоктавного ряда.

Данный метод обладает существенным недостатком — длительностью проведения измерений в ходе поверки.

Поэтому в виброакустической поверочной системе ВС-321 реализован алгоритм определения частотной характеристики измерительных микрофонов с использованием широкополосного сигнала. В данном случае на акустический актюатор будет подаваться логарифмический проход синуса.

В ходе измерений на базовой частоте микрофона устанавливается необходимы уровень напряжения генератора. Затем на актюатор подается проход синуса, частоты которого соответствуют рабочим частототам из диапазона микрофона и подстроенному значению напряжения генератора. После этого выходной сигнал микрофона регистрируется с помощью контроллера ВС-301 и вычисляется спектр принятого сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье.

Так как спектр логарифмического прохода синуса не является линейным, то это означает, что необходимо выполнить корректировку измеренных данных. Для этого используется следующая формула:

где

М_к(i) — скорректированное значение спектра выходного сигнала поверяемого микрофона на i-той частоте,
М_i — значение спектра выходного сигнала поверяемого микрофона на i-той центральной частоте третьоктавного ряда,
O_баз — значение спектра воспроизводимого сигнала на базовой частоте поверяемого микрофона,
O_i — значение спектра воспроизводимого сигнала на i-той частоте третьоктавного ряда.

После выполнения корректировки необходимо произвести расчет отклонения частотной характеристики поверяемого микрофона по формуле:

где

E_i — отклонение частотной характеристики на i-той частоте третьоктавного ряда,
M_i — скорректированнок значение спектра выходного сигнала поверяемого микрофона для i-той центральной частоты третьоктавного ряда,
M_баз — значение спектра сигнала с выхода поверяемого микрофона на базовой частоте.

Данный метод апробирован в ФГБУ ГНМЦ МО РФ, точность метода сопоставима с точностью возбуждения синусоидальным сигналом, при этом частотная характеристика измерительного микрофона определяется менее, чем за полторы минуты с учетом времени составления отчета.

Поверка в заглушенной камере

Перейдем к рассмотрению методов поверки по свободному полю. Термин «свободное поле» подразумевает пространство, в котором звуковые волны могут распространятся свободно без возмущений или отражений. К методам поверки с использованием свободного поля относят поверку в безэховой (заглушенной) камере.

Поверка микрофона в безэховой камере состоит из двух последовательных этапов. На первом этапе в бэзэховую камеру помещается эталонный микрофон, который подсоединяется ко входу измерительной системы. Динамик, расположенный в камере соединяется с выходом системы или генератором. После этого на динамик последовательно подаются сигналы с частотами, входящими в третьоктавный ряд из рабочего диапазона частот микрофона. Фиксируются значения напряжения на выходе эталонного микрофона. В дальнейшем эти значения будут пересчитаны в звуковое давление и использованы при выполнении измерений поверяемым микрофоном.

На следующем этапе необходимо заменить эталонный микрофон на поверяемый. После этого на динамик в безэховой камере будут поданы сигналы с частотами, которые были использованы на предыдущем шаге, а в качестве напряжения будут использованы значения, измеренные эталонным микрофоном.

К достоинствам данного метода относят его точность и отсутствие необходимости в диффракционных поправках. В качестве единственного недостатка выделяют высокую стоимость самой безэховой камеры.

Функция поверки микрофона в заглушенной камере является достаточно редкой, однако она реализована в виброакустической измерительной системе ВС-321 разработки предприятия «Висом» и апробирована в ФГБУ ГНМЦ МО РФ.

Заказать продукцию предприятия или процедуру поверки вы можете в отделе продаж «Висом». Остались вопросы? Звоните и пишите: +7 (4812) 777-001, contact@visom.ru.