Исследование метода определения частотных характеристик конденсаторных микрофонов с применением частотно-модулированного сигнала

Авторы статьи: Ю.А. Кувыкин (ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России), И.Н. Соколов (АО «Висом»), к.т.н. А.Н. Ольховский (ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России).


В современных автоматизированных системах поверки микрофонов отечественного производства (система измерительная виброакустическая ВС-321 разработки ООО «ВИСОМ», г. Смоленск) для определения частотных характеристик уровня чувствительности (далее - ЧХ) измерительных конденсаторных микрофонов электростатическим методом используется схема, приведенная на рисунке 1. Аналогичная схема измерений используется и в системе измерительной 9721 фирмы «Brüel & Kjær Sound & Vibration A/S», Дания.


Рисунок 1 – Схема определения ЧХ микрофонов электростатическим методом с применением системы измерительной виброакустической ВС-321


При этом программное обеспечение VisProbe SL системы измерительной ВС-321, применяемой в качестве эталона, реализует процедуры поверки измерительных микрофонов в автоматизированном режиме с использованием синусоидального сигнала возбуждения электростатического возбудителя (далее - ЭВ). Поверка разбивается на шаги согласно требованиям пп. 4.5-4.8 ГОСТ 8.153-75 [1]. В ходе своей работы программа отображает значения параметров выходных сигналов, этапы процедуры определения характеристик и прогресс завершения шага.


При определении ЧХ измерительного микрофона (см. рисунок 1) с генератора системы управления ВС-301 на электростатический возбудитель через источник питания подается синусоидальное напряжение переменного тока на реперной частоте (как правило 250 Гц). При этом его значение автоматически подстраивается таким образом, чтобы напряжение на выходе микрофона соответствовало заданному оператором эквивалентному уровню звукового давления. Далее частота генератора автоматически перестраивается в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц с шагом в 1/3 октавы. Выходное напряжение микрофона регистрируется на каждой из центральных частот 1/3-октавного ряда. Для каждой из частот вычисляется отклонение ЧХ Ei в дБ по формуле:




где Ur – измеренное на выходе микрофона значение напряжения на реперной частоте, В;


Ui – измеренное на выходе микрофона значение напряжения на i-ой частоте 1/3-октавного ряда в рабочем диапазоне частот, В.


Полученные значения отклонений ЧХ вносятся в протокол поверки.


Основным недостатком применения синусоидального сигнала для возбуждения ЭВ является значительное время определения ЧХ на всех частотах 1/3 октавного ряда даже в автоматизированном режиме.


В отечественной и зарубежной практике для сокращения времени определения ЧХ при поверке приемников звукового давления и виброускорения предусматривается вместо синусоидального применение широкополосных сигналов возбуждения [2 - 5].


При этом сокращение времени определения ЧХ достигается за счет возможности проведения значительно большего количества измерений напряжения выходного сигнала в диапазоне рабочих частот микрофона за один и тот же промежуток времени, чем в случае применения синусоидального сигнала. Однако сведения о погрешностях, связанных с переходом на применение широкополосного сигнала вместо синусоидального, в нормативной документации, включая зарубежную, отсутствуют. Кроме того, не нормирована требуемая длительность широкополосного сигнала, необходимая и достаточная для получения достоверных оценок выходного напряжения микрофонов.


Возможность применения широкополосного сигнала обуславливается следующими положениями (условиями) реализации электростатического метода.


Используемый при поверке микрофонов ЭВ представляет собой устройство для определения ЧХ конденсаторных микрофонов, состоящее из токопроводящей жесткой металлической пластины. Пластину 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 [6]. При этом возможно применение как синусоидального напряжения переменного тока, прилагаемого к жесткой металлической пластине ЭВ, так и широкополосного сигнала, что не противоречит основным положениям (условиям) реализации электростатического метода для имитации звукового давления. Причем широкополосные сигналы могут подбираться в зависимости от области применения поверяемого микрофона (широкополосный случайный, частотно-модулированный или импульсный сигналы).


Указанная особенность электростатического метода позволила реализовать в отечественной практике возможность применения широкополосного сигнала с частотной модуляцией по логарифмическому закону (далее - ЧМ-сигнала) для определения ЧХ конденсаторных микрофонов в системе измерительной виброакустической ВС-321 [7].


Однако утвержденная методика поверки микрофонов с применением ЧМ-сигнала в настоящее время отсутствует, так как отсутствуют и сведения о погрешности, обусловленной применением ЧМ-сигнала.


С учетом указанного выше, целями настоящего исследования являются:


  • анализ особенностей применения и вида ЧМ-сигнала, связанных с нелинейностью амплитудно-частотной характеристики (нелинейностью спектра) и длительностью применения сигнала возбуждения, а также оценка погрешностей, обусловленных применением ЧМ-сигнала вместо синусоидального;
  • разработка обоснованного технического решения изменения измерительной схемы системы, позволяющего учитывать и исключать нелинейность спектра ЧМ-сигнала;
  • определение оптимальной длительности воздействия ЧМ-сигнала на ЭВ для получения результатов измерений с минимальной погрешностью;
  • разработка и внесение соответствующих изменений в программное обеспечение VisProbe SL системы ВС-321;
  • экспериментальная апробация электростатического метода с применением ЧМ-сигнала. Для оценки составляющей погрешности, обусловленной нелинейностью спектра, рассмотрим приведенную на рисунке 2 осциллограмму предлагаемого к применению ЧМ-сигнала.


Рисунок 2 - Осциллограмма используемого ЧМ-сигнала


Мгновенное значение напряжения воспроизводимого сигнала в момент времени t рассчитывается по формуле [8]:




где A – амплитудное значение напряжения сигнала, В;


T – длительность применения ЧМ-сигнала на центральных частотах 1/3 октавного ряда, с;


Fs – начальная частота сигнала, Гц;


Fe – конечная частота сигнала, Гц.


Из анализа аргументов формулы (2) следует необходимость оценки влияния длительности сигнала Т (в диапазоне от 2 до 20 с) на суммарную погрешность определения мгновенного значения напряжения S(t) при измерениях.


На рисунке 3 приведен спектр предложенного ЧМ-сигнала в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц длительностью 20 секунд.


Рисунок 3 – Спектр используемого ЧМ-сигнала


Характеристики генерируемого сигнала определяются начальной и конечной частотами диапазона рабочих частот микрофона, амплитудой и длительностью сигнала. Как видно из рисунка 3, нелинейность спектра ЧМ-сигнала может достигать 40 % по отношению к значению на реперной частоте поверки микрофона, что не позволяет обеспечить одинаковое по амплитуде воздействие на мембрану микрофона на всех частотах его рабочего диапазона. Данное обстоятельство приводит к возникновению погрешности, обусловленной применением ЧМ-сигнала, влияние которой необходимо оценить и учесть для обеспечения требуемой точности при определении ЧХ микрофонов.


В системе измерительной виброакустической ВС-321 авторами статьи было 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 сигнала возбуждения ЭВ. При этом для оценки значения погрешности, обусловленной нелинейностью спектра ЧМ-сигнала непосредственно в процессе измерений сигнал с выхода генератора системы через электрический разветвитель подается на усилитель ЭВ и на один из свободных входов системы.


Схема системы с дополнительной линией связи изображена на рисунке 4 (линия связи выделена красным цветом).


Рисунок 4 - Схема определения ЧХ микрофонов с применением контроля нелинейности спектра ЧМ-сигнала генератора в системе измерительной ВС-321


В соответствии с приведенным выше техническим решением базовый алгоритм программного обеспечения дополняется процедурой корректировки спектра по результатам его контроля. При этом рассчитывается коэффициент коррекции Kig, дБ (т.е. поправка) для каждого значения частоты 1/3-октавного ряда по формуле:




где Urg – измеренное на выходе генератора значение напряжения на реперной частоте, В;


Uig – измеренное на выходе генератора значение напряжения на i-ой частоте 1/3-октавного ряда в рабочем диапазоне частот, В.


Затем с применением алгоритмов программного обеспечения VisProbe SL в значения отклонений ЧХ, определенные по формуле (1), вносят поправки Kig, определенные по формуле (3), с обратным знаком.


Для проведения экспериментальной апробации электростатического метода с применением ЧМ-сигнала была сформирована выборка средств измерений, состоящая из 4-х конденсаторных микрофонов типов 4192, 40АЕ, 7052Е, МК-221. При этом все микрофоны имели действующие свидетельства о поверке и протоколы с результатами определения отклонения их ЧХ согласно формуле (3).


На первом этапе апробации проведено определение ЧХ каждого из выборки 4-х конденсаторных микрофонов типов 4192, 40АЕ, 7052Е, МК-221 (с усреднением результатов по трем измерениям на каждой частоте 1/3-октавного ряда) с длительностью ЧМ-сигнала 20 с. На рисунке 5 представлены графики относительных разностей ЧХ 4-х микрофонов, полученных с применением синусоидального и ЧМ-сигнала. Максимальное абсолютное значение относительной разности ЧХ, полученных для выборки исследуемых типов микрофонов, составило +0,07 дБ (для микрофона типа 40АЕ на частоте 12500 Гц и для микрофона типа 4192 на частоте 160 Гц); значение относительной разности для микрофона типа 4192 на частоте 20000 Гц составила минус 0,06 дБ.


Рисунок 5 – Графики относительных разностей определения ЧХ микрофонов из исследуемой выборки


На втором этапе апробации для экспериментального определения зависимости погрешности от длительности сигнала было проведено определение ЧХ каждого из той же выборки 4-х конденсаторных микрофонов поочередно со следующими длительностями ЧМ-сигнала: 20, 15, 10, 5 и 2 секунды.


На рисунке 6 представлены графики относительных разностей определения ЧХ предлагаемым методом с результатами, полученными на синусоидальном сигнале. Максимальное значение относительной разности ЧХ, полученных из выборки исследуемых типов микрофонов, для длительности 15 с на частоте 12500 Гц составило +0,05 дБ.


Рисунок 6 – Графики относительных разностей определения ЧХ микрофона из исследуемой выборки на разных длительностях сигнала


Из рисунка 6 следует, что оптимальная длительность сигнала составляет 15 с. Увеличение длительности сигнала до 20 с или сокращение до 2 с приводит к увеличению разности на 0,02 дБ. На рисунке 7 приведен график зависимости погрешности от продолжительности ЧМ-сигнала.


Рисунок 7 – График зависимости погрешности от продолжительности ЧМ-сигнала


На третьем этапе апробации проведено дополнительное определение ЧХ микрофона типа 4192 на системе измерительной виброакустической ВС-321 с применением ЧМ-сигнала и на Государственном вторичном эталоне единицы звукового давления в воздушной среде ВЭТ 19-1-2008. На рисунке 8 представлены значения относительной разности определения ЧХ микрофона предлагаемым методом на ВС-321 с результатами, полученными на ВЭТ 19-1-2008.


Рисунок 8 – График относительных разностей результатов определения ЧХ микрофона на ВС-321 (с применением ЧМ-сигнала) с результатами на ВЭТ 19-1-2008


Максимальное абсолютное значение относительной разности для длительности 15 секунд составляет +0,06 дБ на частоте 8000 Гц, а на частоте 16000 Гц составляет минус 0,04 дБ, что не оказывает существенного влияния на суммарную погрешность определения ЧХ поверяемого микрофона (±0,5 дБ) и может быть учтена, при необходимости, при разработке методик поверки.


Процедура определения ЧХ микрофона занимает, начиная от нажатия кнопки до окончания составления протокола, менее 1,5 минут с использованием ЧМ-сигнала (по схеме рисунка 3) при десятикратном усреднении результатов измерений, что почти в три раза меньше, чем при проведении измерений на синусоидальном сигнале (по схеме рисунка 1).


Проведенные исследования метода определения частотных характеристики микрофонов с использованием ЧМ-сигнал с дополнительным контролем нелинейности спектра позволило:


  • сократить время проведения измерений ЧХ микрофонов в 2 - 3 раза;
  • обеспечить учет нелинейности спектра ЧМ-сигнала с применением технического решения, основанного на внесении в схему измерений дополнительной линии связи. При этом погрешность, обусловленная нелинейностью спектра ЧМ-сигнала ЭВ находится в пределах ±0,07 дБ;
  • определить оптимальную длительность воздействия ЧМ-сигнала на ЭВ. При длительности сигнала, равной 15 с, погрешность, обусловленная применением ЧМ-сигнала, не превышает +0,05 дБ;
  • провести сравнительное определение ЧХ микрофона типа 4192 на системе измерительной виброакустической ВС-321 с применением ЧМ-сигнала и на Государственном вторичном эталоне единицы звукового давления в воздушной среде ВЭТ 19-1-2008. Погрешность, обусловленная применением ЧМ-сигнала, находится в пределах ±0,06 дБ;
  • доработать программное обеспечение VisProbe SL системы измерительной ВС-321 для реализации предложенного технического решения и внесения соответствующих изменений в ВАПМ.321.001 РЭ [7] установленным порядком.


Таким образом, результаты исследований позволяют рекомендовать применение метода определения ЧХ конденсаторных микрофонов с использованием ЧМ-сигнала и дополнительного контроля нелинейности сигнала возбуждения ЭВ в практике поверочных лабораторий, а также при разработке и утверждении методик поверки конденсаторных микрофонов с применением автоматизированных измерительных систем.


Литература


  1. ГОСТ 8.153-75 «Микрофоны измерительные конденсаторные. Методы и средства поверки». Издательство стандартов, 1975. 14 с.
  2. Кувыкин Ю.А., Кулак В.А., Соколов И.Н. Исследование метода определения частотной характеристики вибропреобразователей с применением широкополосной случайной вибрации. Вестник метролога, 2018, № 2. – С. 8-12.
  3. WW 5998-19 Руководство пользователя для системы калибровки микрофонов 9721. 4. Измерение. Версия 3.3., 2009. С. 64.
  4. Исаев А.Е., Матвеев А.Н., Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в реверберирующем бассейне. Акустический журнал. — 2009. — Т.55.-№ 2. – С. 1-10.
  5. Черников И.В., Исаев А.Е., Лабораторная градуировка гидроакустического приемника в реверберационном поле шумового сигнала. Акустический журнал. — 2015. — Т.61.-№ 5. – С. 1-9.
  6. 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.
  7. ВАПМ.321.001 РЭ «Система измерительная виброакустическая ВС-321. Руководство по эксплуатации», 2016. – С. 78.
  8. Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. — М.: ООО. «Бином-Пресс», 2006 г. — 656 с.