Исследование отечественных электростатических возбудителей для эталонов звукового давления взамен зарубежных

В статье приведены результаты исследований отечественных электростатических возбудителей, используемых для определения частотных характеристик измерительных конденсаторных микрофонов. Предложен неописанный ранее в нормативной документации методический подход к определению точностных характеристик электростатических возбудителей. Cформулированы рекомендации по конструктивной доработке электростатических возбудителей. Показано, что доработанные производителем отечественные электростатические возбудители могут заменить зарубежные в составе рабочих эталонов звукового давления в воздушной среде.

Определение ЧХ микрофона по давлению с применением ЭВ

Конденсаторные микрофоны, в зависимости от условий применения, поверяются в свободном поле, в поле давления (по давлению) или в диффузном поле. Рассмотрим процедуру определения частотной характеристики (ЧХ) микрофона по давлению с применением различных моделей электростатических возбудителей (ЭВ) по п. 4.7.1 ГОСТ 8.153-75 [1].

ЭВ является составной частью рабочего эталона единицы звукового давления в воздушной среде (РЭ) и представляет собой устройство для определения ЧХ конденсаторных микрофонов, состоящее из токопроводящей жесткой металлической пластины, которую располагают рядом с мембраной микрофона таким образом, чтобы переменное напряжение, приложенное между пластиной и мембраной микрофона, создавало электростатическую силу, имитирующую воздействие равномерно распределенного по мембране звукового давления [2].

В настоящее время в составе РЭ для поверки ½- дюймовых микрофонов в основном используются ЭВ датских фирм «Brüel & Kjær Sound & Vibration A/S» (модель UA0033) и «GRAS Sound & Vibration A/S» (модель RA0014). Отклонение ЧХ этих ЭВ определено изготовителями (δ_U = ±0,2 дБ в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц [3]), а конструкция соответствует требованиям [2]. Данные обстоятельства затрудняют использование вместо них ЭВ отечественных и других производителей, например, модели ВС-335 производства ООО «ВИСОМ» (Россия), ЭВ-4133 (Россия), ЕА002 производства фирмы «BSWA» (Китай), хотя конструктивно они незначительно отличаются от модели UA0033, а их цена на порядок ниже. В свою очередь, влияние конструктивных отличий, приведенных выше моделей ЭВ, от базовых на результаты измерений при поверке микрофонов в настоящее время недостаточно подробно изучены.

 

Рисунок 1. Внешний вид ЭВ (а – UA 0033»; б – ЭВ-4133; в – ЕА002; г – ВС-335)

В автоматизированных системах поверки измерительных конденсаторных микрофонов как отечественного (например, система измерительная виброакустическая ВС-321 ООО «ВИСОМ»), так и зарубежного производства (система измерительная 3630/3629 фирмы «Bruel & Kjaer Sound & Vibration A/S») используется схема, аналогичная представленной в п. 4.7.1 ГОСТ 8.153-75. В этой схеме в качестве вольтметра, генератора и частотомера выступает один приборный блок измерительной системы. При этом перестроение частоты и подстройка напряжения генератора происходят в автоматическом режиме.

Вместе с тем, в системе измерительной виброакустической ВС-321 применено техническое решение для учета влияния нелинейности сигнала, которое было реализовано внесением в измерительную схему дополнительной линии связи для возможности контроля и корректировки нелинейности спектра частотно-модулированного сигнала возбуждения ЭВ. Частотно-модулированный сигнал применен для сокращения времени измерений в 3-4 раза [3]. При этом для оценки значения погрешности, обусловленной нелинейностью спектра сигнала непосредственно в процессе измерений сигнал с выхода генератора системы через электрический разветвитель подается на усилитель ЭВ и на один из свободных входов системы [3].

Схема системы с дополнительной линией связи изображена на рисунке 2 (линия связи выделена красным цветом).

Рисунок 2. Схема определения ЧХ микрофонов с применением контроля нелинейности спектра ЧМ-сигнала генератора в системе измерительной ВС-321 

В соответствии с техническим решением базовый алгоритм программного обеспечения дополняется процедурой корректировки спектра по результатам его контроля.

Для определения ЧХ поверяемого микрофона с помощью ЭВ на каждой центральной частоте
1/3 – октавного ряда в диапазоне рабочих частот рассчитывается отклонение уровня звукового давления от значения на базовой частоте (250 Гц).

Отклонение уровня звукового давления на каждой частоте от значения на базовой частоте рассчитывается по формуле:

   

где: L_f  – эквивалентный уровень звукового давления на центральной частоте 1/3-октавного ряда, измеренный ненагруженным капсюлем микрофона, дБ; L₂₅₀  – уровень звукового давления, измеренный ненагруженным капсюлем микрофона на базовой частоте 250 Гц.

Погрешность определения уровня звукового давления   включает в себя следующие составляющие:

 — величина, описывающая влияние отклонения ЧХ   в зависимости от применяемого ЭВ;

  — величины, описывающие влияние отклонений ЧХ анализатора измерительной системы, усилителя ЭВ и предусилителя микрофона;

 — величины, описывающие влияние изменений условий окружающей среды при проведении измерений (температуры, атмосферного давления, влажности);

Величина , описывающая влияние отклонения ЧХ ЭВ, является значимой составляющей и может изменяться при применении другого ЭВ, так как зависит от его конструкции.

Для исследований использованы ЭВ моделей ВС-335, ЭВ-4133, ЕА002, UA0033. Определение ЧХ микрофонов проводилось на системе измерительной 3630/3629, регистрационный номер в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений 35132-07 (имеет в составе систему калибровки микрофонов 9721) с одним и тем же микрофоном измерительным конденсаторным с капсюлем 4192 и предусилителем 2669 (далее – микрофон 4192). ЧХ микрофона 4192 определялась по 10 раз с каждым ЭВ. Результат определения частотной характеристики микрофона с помощью ЭВ является относительным, так как действительное значение чувствительности микрофона определяется на базовой частоте 250 Гц с помощью акустического калибратора или камеры малого объема один раз для всех ЭВ. Для определенных отклонений ЧХ микрофона на каждой частоте 1/3 – октавного ряда в диапазоне рабочих частот от 20 Гц до 20 кГц рассчитывались среднее значение и среднеквадратическое отклонение S по формулам (2) и (3), соответственно.

Влияние разности конструкций ЭВ, указанных выше, на результат измерений определялось отклонением ЧХ от ЭВ модели UA0033 для каждой центральной частоты 1/3 – октавного ряда. Отклонение рассчитывалось по формуле:

где   – среднее значение отклонения ЧХ микрофона 4192, полученное с применением ЭВ, дБ;
 – среднее значение отклонения ЧХ 4192, полученное с применением ЭВ модели UA0033, дБ.

В результате измерений и расчетов были получены следующие результаты: для ВС-335 максимальное значение отклонения  = 0,29 дБ, для ЭВ-4133 = 0,26 дБ, для ЕА002 = 0,23 дБ соответственно.

Графики отклонений для каждого исследуемого ЭВ приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Отклонения ЧХ исследуемых ЭВ от UA0033 

Далее для определения доверительных границ относительной погрешности определения ЧХ микрофона 4192 при использовании каждого исследуемого ЭВ с учетом полученных значений   были рассчитаны границы систематической погрешности определения ЧХ микрофона 4192 по формуле (5) с учетом приведенных выше составляющих:

  

где   – отклонение ЧХ ЭВ UA0033 [4]; – отклонение ЧХ исследуемого ЭВ; – отклонение ЧХ генератора из состава системы 3630/3629 [4]; – отклонение ЧХ усилителя ЭВ; – отклонение ЧХ предусилителя микрофона.

Влияющие факторы окружающей среды в соответствии с формулой (1), составляющие   в формуле (5), не учитывались, так как измерения проводились в нормальных условиях.

Определение доверительных границ относительной погрешности определения ЧХ микрофона 4192 при P = 0,95 для каждого исследуемого ЭВ проводилось по формулам (6), (7), (8), (9) в соответствии с разделом 9 ГОСТ 8.736-2011 [5, 6].

 

где t_0,95(m-1) = 2,228 – коэффициент Стьюдента при m = 10 и доверительной вероятности 0,95.

Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

№ п/п	Модель ЭВ	Доверительные границы относительной погрешности определения ЧХ микрофонов при P=0,95	Требования п. 2.1 ГОСТ 8.153-75
1	ВС-335	±0,38 дБ	±0,5 дБ
2	ЭВ-4133	±0,32 дБ
3	ЕА002	±0,34 дБ

Из данных таблицы видно, что доверительные границы относительной погрешности определения ЧХ микрофонов при P=0,95 с применением всех рассмотренных ЭВ соответствуют требованиям п. 2.1
ГОСТ 8.153-75.

Для дополнительного подтверждения полученных результатов с применением РЭ ЗДВ отечественного производства проведено сравнение результатов измерений относительной ЧХ поверяемого рабочего (конденсаторного) микрофона 4192 в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц с привязкой к абсолютному значению на частоте 250 Гц на Государственном вторичном эталоне единицы звукового давления в воздушной среде ВЭТ 19‑1‑2008, в составе которого используется электростатический возбудитель UA 0033, и на системе измерительной виброакустической ВС-321 (рабочий эталон), в составе которой используется электростатический возбудитель ВС-335.

Результаты измерений приведены на рисунке 4.

 

Рисунок 4. ЧХ микрофона 4192

На рисунке 5 приведена относительная разность определения ЧХ микрофона 4192 на ВЭТ 19‑1‑2008 и ВС-321 в дБ.

Рисунок 5. Относительная разность определения ЧХ микрофона 4192 на ВЭТ 19‑1‑2008 и ВС-321

Как видно из рисунка 5, максимальное значение относительной разности результатов составило 0,27 дБ.

Используя полученную разность, были определены доверительные границы относительной погрешности измерений при доверительной вероятности P = 0,95 для исследуемого ЭВ по тем же формулам (6), (7), (8), (9) в соответствии с разделом 9 ГОСТ 8.736-2011 [6].

В результате расчетов доверительные границы относительной погрешности измерений при доверительной вероятности P = 0,95 для ВС-335 составили ±0,45 дБ, что отличатся от рассчитанных по предложенному методическому подходу (см. таблицу 1) на ±0,07 дБ. Это подтверждает правильность предложенного методического подхода по определению точностных характеристик электростатических возбудителей.

По мнению авторов статьи, исследованные ЭВ имеют некоторые конструктивные недостатки. Например, возбудители ВС-335 и ЭВ-4133 не имеют фиксированной ширины зазоров между токопроводящей пластиной и мембраной микрофона. Контролировать ширину зазора должен оператор на глазок. Данное обстоятельство зависит от квалификации оператора и может привести к возникновению дополнительной погрешности при проведении измерений. Ширина зазора нормирована в соответствии с [2] и составляет 2 мм. Кроме того, у всех трех ЭВ (ВС-335, ЭВ-4133 и ЕА002) наблюдается отклонение от параллельности пластины с мембраной микрофона. У ВС-335 и ЭВ-4133 это обусловлено резьбовым механизмом выставления зазора между мембраной и пластиной микрофона, а у ЕА002 – некачественным исполнением конструктивных элементов. По выявленным конструктивным недостаткам были подготовлены рекомендации производителям по доработке конструкции ЭВ.

В соответствии с предложенными авторами рекомендациями специалисты фирмы «Висом» доработали конструкцию ЭВ ВС-335. Одновременно был разработан отдельный ЭВ для микрофонов типоразмера 1 дюйм. Внешний вид доработанных ЭВ приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Электростатические возбудители ВС-335 со стойкой для установки микрофонов
(а – вид сверху, б – вариант установки на микрофон)

Для удобства применения дополнительно была разработана стойка для установки микрофона, помогающая исключить падение ЭВ вследствие натягивания или подпружинивания токоподводящего кабеля. Следует отметить, что падение ЭВ, конструкция которых соответствует требованиям [2], может приводить к разрыву мембраны микрофона.

После доработки проведено дополнительное сравнение результатов измерений относительной ЧХ микрофона 4192 в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, с привязкой к абсолютному значению на частоте 250 Гц с использованием ВЭТ 19‑1‑2008 и системы измерительной виброакустической ВС-321. Результаты измерений для трех ЭВ с заводскими номерами 335000001, 335000002, 33500003 приведены на рисунке 7.

 

Рисунок 7. Результаты измерений ВС-335, ЭВ-4133, ЕА002 

Как видно из рисунка 7, максимальное значение относительной разности результатов   удалось снизить с 0,27 дБ (рисунок 5) до 0,09 дБ. При этом максимальная относительная разность между тремя исследованными ЭВ не превысила 0,07 дБ. Это подтверждает повторяемость процесса изготовления при серийном производстве.

На заключительном этапе исследований были проведены аналогичные измерения с применением конденсаторных микрофонов типов МК-265, ВМК-205, 40АЕ, 7052Е, МК-221, МР201. По результатам экспериментов доверительные границы относительной погрешности определения ЧХ исследуемых микрофонов при P=0,95 (формула 6) с применением ЭВ модели ВС-335 не превысили пределов ±0,3 дБ.

Таким образом, в ходе исследования отечественных ЭВ предложен и апробирован новый методический подход к определению их точностных характеристик. По итогам конструктивной доработки ЭВ, выполненной по сформулированным рекомендациям, показано, что отечественные модели ЭВ могут заменить зарубежные аналоги и использоваться в составе рабочих эталонов звукового давления в воздушной среде для поверки измерительных конденсаторных микрофонов.

Литература 

1. ГОСТ 8.153-75 Микрофоны измерительные конденсаторные. Методы и средства поверки [Текст]. – М.: Издательство стандартов, 1975. –14 с.
2. IEC 61094-6:2004. Measurement microphones—Part 6: Electrostatic actuators for determination of frequency response. Typeset and printed by the IEC Central Office Geneva Switzerland, 2014. p. 62.
3. Кувыкин Ю.А., Соколов И.Н., Ольховский А.Н. Исследование метода определения частотной характеристики конденсаторных микрофонов с применением частотно-модулированного сигнала [Текст] / Вестник метролога. – 2021. – № 2. – С. 25–31.
4. Руководство пользователя для системы калибровки микрофонов 9721. 4. Измерение. Версия 3.3. WW 5998-19, 2009. 64 с.
5. Кувыкин Ю.А., Дорошенко Е.Ю., Данильченко Н.Н. Сравнительное исследование электростатических возбудителей различных конструкций для возможности их применения в рабочих эталонах звукового давления. Актуальные задачи военной метрологии: мат. 44 НТК / Кубинка, МО, 2019. – С. 134-138.
6. ГОСТ 8.736-2011 ГСИ. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения [Текст]. – М.: Стандартинформ, 2013. – 23 с.