Поверка и калибровка микрофонов с помощью оборудования ВИСОМ

Поверка и калибровка микрофонов

Современный измерительный микрофон является сложной электромеханической системой, состоящей из множества частей. Как и любую сложную систему, микрофон необходимо периодически проверять (калибровать или проводить поверку), чтобы убедиться, что:

         микрофон “жив”;

         микрофон соответствует требуемым техническим параметрам.

Процедура поверки(калибровки) микрофона является строго регламентированным процессом. Рассмотрим данный процесс подробнее.


1      Нормативные документы


Основные операции поверки микрофонов описаны в ГОСТ 8.153-75 Государственная система обеспечения единства измерений. Микрофоны измерительные конденсаторные. Методы и средства поверки [1].

В данном ГОСТ приводятся методы измерений как по давлению, так и по свободному полю.

Свободное поле – это поле, где звуковые волны распространяются свободно, без каких-либо отражений и возмущений  [2].

Свободное поле реализовать практически невозможно. Однако на практике свободные поля, которые применимы для поверки и калибровки прибора, могут создаваться либо в безэховых помещениях, либо на открытом воздухе, вдали от отражающих поверхностей.



Рисунок 1 - Безэховая камера


Говоря о характеристиках микрофона по давлению, понимается что в звуковом поле амплитуда и фаза звуковой волны одинаковы во всех его точках [2]. Такие поля обычно имеют место там, где размер полости мал по сравнению с длиной волны. Поля такого типа возникают в пистофонах и акустических калибраторах.

Так как оборудование для измерения в свободном поле достаточно редкое, то из ГОСТ 8.153-75 рассмотрим только операции по давлению, а именно:

         определение уровня чувствительности по давлению на базовой частоте (пункт 4.6);

         определение частотной характеристики микрофона по давлению (пункт 4.7);

         определение неравномерности частотной характеристики по давлению (пункт 4.8).

Рассмотрим основные операции поверки и состав акустической калибровочной установки подробнее.

 

2      Состав поверочной установки


В состав акустической поверочной установки обычно включают:

         эталонный микрофон;

         электростатический возбудитель (актюатор);

         акустический калибратор;

         контроллер с высокоточными ЦАП и АЦП, например BC-301;

         ПК со специальным программным обеспечением.

В состав системы BC-321 дополнительно включается камера малого объема (КМО).

Акустический калибратор - это устройство, которое подает на микрофон сигнал звукового давления известного уровня и частоты.


Sound Calibrator Type 4231

Acoustic calibrator Type 4226

Рисунок 2 - Акустический калибратор Bruel & Kjaer 4231

Рисунок 3 - Акустический калибратор Bruel & Kjaer 4226


На рисунке выше показан акустический калибратор 4231 фирмы Bruel & Kjaer. Он на частоте 1000 Гц может поддерживать два уровня звукового давления -  94 и 114 дБ.

Есть модели калибраторов (например, 4226 фирмы Bruel & Kjaer), поддерживающие фиксированный набор частот, например – октавный ряд. Однако такие калибраторы имеют достаточно высокую цену.

Актюатор – это устройство, которое позволяет имитировать воздействие звукового поля по давлению через непосредственное воздействие звукового поля на мембрану микрофона.


Рисунок 4 - Актюатор BC-335 производства ВИСОМ

Рисунок 5 - Актюатор производства Bruel&Kjaer


С помощью актюатора определяется частотная характеристика микрофона.

Принцип действия актюатора показан на рисунке ниже.


Рисунок 6 - Принцип действия электростатического актюатора

 

1.       Актюатор

2.      Капсюль микрофона

3.      Предусилитель

4.      Блок питания предусилителя

5.      Вольтметр

6.      Резистор (10 МОм)

7.      Конденсатор (5 нФ)

8.      Источник постоянного напряжения

9.      Генератор

 


На пластину актюатора подаётся сумма постоянного и переменного напряжения. При этом под действием электрического поля начинает колебаться мембрана микрофона. Наиболее подробная информация об электростатических актюаторах находится в IEC 61094-6:2004 Electrostatic actuators for determination of frequency response [3].

В состав системы BC-321 входит также камера малого объема.


Рисунок 7 - Камера малого объема ВС-323 из состава системы BC-321


КМО применяется для получения чувствительности микрофона методом сличения.  Метод сличения заключается в том, что эталонный и поверяемый микрофоны подвергаются воздействию одинакового звукового давления. В этом случае отношение чувствительностей микрофонов равно отношению напряжений на выходах этих микрофонов. Чувствительность поверяемого микрофона Mпов определяется через чувствительность эталонного микрофона Mэт и отношения напряжений Uпов/Uэт по формуле:

(1)

КМО образует замкнутое пространство, к которому через отверстие верхней части подключен высококачественный возбудитель акустических колебаний. Мембраны микрофонов в КМО образуют часть внутренних стенок камеры.

Для предотвращения возможности повреждения мембран микрофонов избыточным давлением при их установке и удалении из КМО в нижней части камеры имеется отверстие, которое закрывается на время поверки микрофонов для обеспечения её герметичности. Для этой же цели служат дополнительные резиновые кольца, расположенные в пазах стенок отверстий для установки микрофонов.

Для того, чтобы звуковое воздействие на поверяемый и эталонный микрофон было бы одинаковым, наибольший размер камеры L должен быть много меньше длины звуковой волны λ в воздухе.  Это ограничивает максимальный рабочий диапазон КМО до 5 кГц.

Однако наличие камеры малого объема является серьезным преимуществом, так как она позволяет при поверке заменить дорогостоящий многочастотный калибратор.


3      Операции поверки


Перейдем непосредственно к рассмотрению операций поверки и калибровки микрофонов.

Для измерения чувствительности микрофона на базовой частоте необходимо собрать схему, показанную на рисунке ниже.



Рисунок 8 - Схема определения чувствительности микрофона на базовой частоте


При этом чувствительность микрофона вычисляется по формуле:

(2)

где

– напряжение, измеренное на выходе поверяемого микрофона.
M – чувствительность микрофона;
P – звуковое давления калибратора, Па;

 

В большинстве случаев уровень звукового давления в калибраторе определяют непосредственно перед поверкой микрофона. Для этого собирается схема с рисунка ниже.



Рисунок 9 - Определение уровня звукового давления в калибраторе


Звуковое давление в калибраторе определяется по формуле:

(3)

где

– чувствительность эталонного микрофона;
P – звуковое давления калибратора, Па;
– напряжение, измеренное на выходе эталонного микрофона.

Далее для определения частотной характеристики собирается схема с актюатором.



Рисунок 10 - Определение ЧХ микрофона с помощью актюатора


При определении частотной характеристики микрофона сначала на базовой частоте выставляется необходимый уровень напряжения, такой, чтобы сигнал с выхода микрофона значительно превышал шумы.

Затем это напряжение подается на всех частотах третьоктавного ряда в рабочем диапазоне частот микрофона.

Для каждой из частот рассчитывается отклонение чувствительности от чувствительности на базовой частоте по формуле:

(4)

где

– отклонение чувствительности на i-той частота, дБ;
– напряжение с выхода микрофона, измеренное на i-той частоте;
– напряжение с выхода микрофона, измеренное на базовой частоте.

Как и в случае с акселерометрами, использование синусоидального сигнала имеет недостаток  - оно занимает достаточно много времени. Поэтому для системы BC-321 был разработан алгоритм определения ЧХ микрофонов с использованием широкополосного сигнала (“прохода синуса)”. При использовании данного метода ЧХ микрофона рассчитывается менее, чем за минуту.

В случае, если акустического калибратора нет, или он не поддерживает необходимую базовую частоту, можно для вычисления чувствительности на базовой частоте использовать камеру малого объема.



Рисунок 11 - Определение чувствительности микрофона с помощью камеры малого объема


В этом случае чувствительность поверяемого микрофона определяется по формуле:

(5)

 


4 Проведение поверки микрофонов


В настоящее время поверка и калибровка микрофонов производится с помощью различных автоматизированных систем. Широкое применение подобных систем обеспечивает точность измерений, позволяет избежать негативного влияния «человеческого фактора» и сократить время измерений.

К сожалению, практически все автоматизированные системы поверки и калибровки производятся за рубежом и имеют достаточно высокую стоимость, что обуславливает их труднодоступность.

Предлагаемое решение – система измерительная виброакустическая BC-321 является рабочим эталоном по ГОСТ Р 8.765-2011 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Государственная поверочная схема для средств измерений звукового давления в воздушной среде в диапазоне частот от 2 Гц до 100 кГц[4].

Рассмотрим процесс поверки микрофонов с помощью данной системы.

4.1       Настройка измерений


Перед началом измерений  необходимо задать общее описания системы, а именно номер установки и дату её последней поверки с помощью специального окна метрологических параметров.

Далее задаются собственно параметры измерений, а именно параметры поверяемого микрофона, эталонного микрофона и настройки измерений.

Эти настройки задаются из окна, показанного на рисунке ниже.



Рисунок 12 - Окно настройки параметров измерений при поверке микрофона


Параметры эталонного микрофона задаются с помощью базы эталонных микрофонов.



Рисунок 13 – Окно «Эталонные микрофоны»


В поле «Наименование» задаётся название микрофона.

В выпадающем списке «Производитель» выбирается производитель микрофона из базы данных. Установка флажка «Питание ICP» указывает системе, что микрофон имеет питание ICP, т.е. система должна воспринимать его как датчик ICP. В поле «Чувствительность» задаётся чувствительность микрофона на базовой частоте.

Панель «АЧХ эталонного микрофона» позволяет задать зависимость чувствительности микрофона от частоты. В эту таблицу надо вводить частотную характеристику по давлению.

Параметры поверяемого микрофона также выбираются из базы данных, в которой хранятся:

         производитель;

         модель;

         чувствительность;

         имеет ли микрофон ICP-питание;

         базовая частота в герцах;

         начальная и конечные рабочие частоты микрофона;

         предел отклонения чувствительности;

 Также задаются параметры измерений:

         использовать ли КМО для определения чувствительности или нет;

         уровень звукового давления в калибраторе или КМО;

         каналы, к которым подключены поверяемый и эталонный микрофоны;

         Используется ли при определении ЧХ широкополосный сигнал или нет.

 

4.2       Проведение измерений


Так как для измерения чувствительности и ЧХ проводятся с помощью разных приборов, то в Visprobe SL реализованы два шага:

         измерение чувствительности на базовой частоте;

         определение ЧХ микрофона.



Рисунок 14 - Интерфейс программного модуля поверки микрофонов


При проведении измерений программа дает подробные подсказки, так же как и при работе с акселерометрами.



Рисунок 15 – Сообщение с инструкциями

Если для измерения коэффициента преобразования микрофона на базовой частоте используется калибратор, то на первом шаге выполняются два измерения:сначала звуковое давление в калибраторе измеряется с помощью эталонного микрофона, а с помощью поверяемого. Если при работе на базовой частоте используется камера малого объема, то оба микрофона устанавливаются в камеру, в КМО создается звуковое давление, равное 94 дБ, которое измеряется одновременно эталонныи и поверяемым микрофонами.

На втором шаге поверки измеряется неравномерность частотной характеристики микрофона. Она может измеряться с помощью актюатора или КМО. Применение актюатора позволяет проводить измерения частотной характеристики в максимальном диапазоне частот, до 20 000 Гц. При использовании камеры малого объема частотную характеристику можно будет определить до 5 000 Гц.

Специально разработанные алгоритмы модуля акустических измерений программы VisProbe SL делают возможным проведение поверки микрофонов в практически любом помещении. Одним из таких алгоритмов является отсечение шумовых значений – если в ходе измерения измеряется значение, отличающееся от среднего более чем на заданный процент, то измерения на данной частоте автоматически начинаются с начала. Результаты предыдущих измерений при этом сохраняются.

После завершения поверки создается отчет,  в котором указывается вся необходимая информация об измерениях. Отчет создается на основе шаблона, определяемого пользователем.



Рисунок 16 – Пример созданного отчета


Использование системы BC-321 позволяет добиться более чем трехкратного сокращения времени поверки микрофона.

Необходимо отметить, что система BC-321 – полностью отечественная разработка. Система разработана и производится в Смоленске, все составные части системы – например, эталонные вибропреобразователь и микрофон - производятся в России – в г. Саров и г. Таганрог.

Система измерительная виброакустическая входит в Реестр СИ под № 63090-16.

Система BC-321 успешно эксплуатируется с 2015 года в ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России, центрах метрологии МО РФ в Севастополе и Североморске и на различных предприятиях ( АО «ПО Стрела», г. Оренбург, ГАЗПРОМ).


Использованная литература


1.

ГОСТ 8.153-75 Государственная система обеспечения единства измерений. Микрофоны измерительные конденсаторные. Методы и средства поверки.

2.

Brüel & Kjær Microphone Handbook. Brüel & Kjær, 1996.

3.

IEC 61094-6:2004 Electrostatic actuators for determination of frequency response.

4.

ГОСТ Р 8.765-2011 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Государственная поверочная схема для средств измерений звукового давления в воздушной среде в диапазоне частот от 2 Гц до 100 кГц