เสียงหมายถึงความผันผวนของความดันที่แพร่กระจายผ่านตัวกลาง (อากาศ ของเหลว หรือสื่ออื่น ๆ ที่หูมนุษย์สัมผัสได้) การสั่น/เสียงของความดันจะถูกแปลงเป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์โดยแก้วหูและส่งไปยังสมอง สมองรับสัญญาณเหล่านี้และระบุรูปแบบเสียงต่างๆ เช่น ดนตรี คำพูด และเสียงตามลักษณะของเสียงเหล่านั้น
ไมโครโฟนทำงานคล้ายกับแก้วหู จากนั้นคุณสามารถรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะของเส้นทางการแพร่กระจายของเสียงจากแหล่งกำเนิดเสียงไปยังไมโครโฟนโดยการบันทึกและวิเคราะห์สัญญาณเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น ในการทดสอบเสียง การสั่นสะเทือน และความหยาบของเสียง วิศวกรมักต้องการลดเสียงที่ไม่พึงประสงค์ เช่น เสียงที่ส่งผลต่อความสะดวกสบายของผู้โดยสารในขณะขับขี่ เสียงรบกวนอาจเป็นเสียงที่สูงกว่าหรือต่ำกว่าช่วงความถี่ที่หูมนุษย์ได้ยิน หรือแอมพลิจูดของเสียงที่ความถี่เรโซแนนซ์ การวัดเหล่านี้มีความสำคัญสำหรับวิศวกรออกแบบที่ต้องการลดเสียงรบกวนเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานการปล่อยก๊าซเรือนกระจก หรือวิเคราะห์ประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของอุปกรณ์
หลักการทำงานของไมโครโฟน เมื่อออกแบบไมโครโฟน มีตัวเลือกมากมายให้เลือก แต่ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์โพลาไรซ์ภายนอก ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์อิเล็กเตรตโพลาไรซ์ก่อน{0}} และไมโครโฟนเพียโซอิเล็กทริกเป็นไมโครโฟนการวัดที่ใช้กันมากที่สุด
1. ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์
ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์เป็นไมโครโฟนชนิดหนึ่งที่มีการออกแบบตัวเก็บประจุ ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์ใช้ไดอะแฟรมโลหะเป็นสารตั้งต้นหนึ่งของตัวเก็บประจุ แผ่นโลหะที่อยู่ติดกับไดอะแฟรมทำหน้าที่เป็นวัสดุตั้งต้นอื่น เมื่อสนามเสียงกระตุ้นไดอะแฟรม ความจุระหว่างซับสเตรตทั้งสองจะเปลี่ยนไปตามระดับความดันเสียง การใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่เสถียรกับซับสเตรตผ่านตัวต้านทานสูงจะคงประจุไว้บนพื้นผิว การเปลี่ยนแปลงความจุจะสร้างเอาต์พุต AC ตามสัดส่วนกับระดับความดันเสียง ไมโครโฟนโพลาไรซ์ล่วงหน้า-สามารถชาร์จตัวเก็บประจุได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้าโพลาไรซ์ภายนอกหรือคุณสมบัติโดยธรรมชาติของวัสดุ ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์โพลาไรซ์ภายนอกต้องใช้แรงดันไฟฟ้า 200V ไมโครโฟนโพลาไรซ์แบบพรี-ใช้พลังงานจากพรีแอมพลิฟายเออร์ IEPE ที่ต้องใช้แหล่งกระแสคงที่
2. ไมโครโฟนเพียโซอิเล็กทริก
ไมโครโฟนเพียโซอิเล็กทริกใช้โครงสร้างคริสตัลเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าแบ็คเพลน ไมโครโฟนเพียโซอิเล็กทริกหลายตัวใช้กลไกการปรับสภาพสัญญาณแบบเดียวกับมาตรวัดความเร่ง และบางตัวยังใช้การปรับสภาพสัญญาณ IEPE เพื่อจ่ายแรงดันโพลาไรเซชัน แม้ว่าเซ็นเซอร์ประเภทนี้จะมีความไวต่ำ แต่ก็มีความทนทานและสามารถวัดระดับความดันเสียงของแอมพลิจูดสูง-ได้ อย่างไรก็ตาม ระดับเสียงรบกวนพื้นหลังของไมโครโฟนประเภทนี้โดยทั่วไปจะสูง การออกแบบนี้เหมาะสำหรับการใช้งานวัดแรงดันกระแทกและแรงดันระเบิด
วิธีการเลือกไมโครโฟนที่เหมาะสม
ฟิลด์ตอบกลับ
เมื่อเลือกไมโครโฟน จะต้องพิจารณาประเภทของฟิลด์ที่ใช้งานไมโครโฟนด้วย ไมโครโฟนแบ่งออกเป็นสามประเภท: ช่องฟรี- ช่องแรงดัน- และช่องกระจาย- แม้ว่าไมโครโฟนเหล่านี้จะทำงานคล้ายกันที่ความถี่ต่ำ แต่การทำงานจะแตกต่างกันอย่างมากที่ความถี่สูง
ไมโครโฟนภาคสนามฟรี-จะวัดความดันเสียงที่ปล่อยออกมาโดยตรงจากแหล่งกำเนิดเสียงเดียวที่ไดอะแฟรมไมโครโฟน เซ็นเซอร์เหล่านี้จะวัดความดันเสียงที่มีอยู่ก่อนที่ไมโครโฟนจะเข้าสู่สนามเสียง ไมโครโฟนเหล่านี้เหมาะที่สุดสำหรับพื้นที่เปิดโล่งที่ไม่มีพื้นผิวแข็งหรือพื้นผิวสะท้อนแสง ห้องไร้เสียงสะท้อนหรือพื้นที่เปิดโล่งอื่นๆ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ-ไมโครโฟนภาคสนามฟรี
ไมโครโฟนสนามแรงดัน-จะวัดความดันเสียงที่ด้านหน้าไดอะแฟรม แอมพลิจูดและเฟสจะเท่ากัน ณ จุดใดๆ ภายในสนาม และความยาวคลื่นค่อนข้างสั้น มักพบในพื้นที่ปิดหรือโพรง ตัวอย่างการใช้งานเซ็นเซอร์วัดแรงกด-ภาคสนาม ได้แก่ การทดสอบแรงกดที่ผนัง การทดสอบแรงกดที่ปีก และการทดสอบแรงกดของโครงสร้างภายใน เช่น ท่อ คอลลอยด์ และโพรง
ในบางกรณี เสียงไม่ได้มาจากแหล่งเดียว ไมโครโฟนแบบกระจาย-ให้การตอบสนองที่สม่ำเสมอต่อเสียงที่เข้ามาพร้อมๆ กันจากทิศทางที่ต่างกัน ไมโครโฟนประเภทนี้เหมาะสำหรับการวัดเสียงในโบสถ์หรือสภาพแวดล้อมอื่นๆ ที่มีผนังแข็งและสะท้อนแสง อย่างไรก็ตาม สำหรับไมโครโฟนส่วนใหญ่ การตอบสนองของสนามความดันและสนามการแพร่กระจายจะใกล้เคียงกัน ดังนั้นไมโครโฟนสนามความดันจึงมักใช้สำหรับการวัดสนามการแพร่กระจายเช่นกัน
ช่วงไดนามิก
มาตรฐานหลักในการอธิบายเสียงจะขึ้นอยู่กับความกว้างของความผันผวนของความดันเสียง แอมพลิจูดของความดันเสียงต่ำสุดที่หูของมนุษย์สามารถรับรู้ได้คือ 20 ส่วนในล้านส่วน (20 μPa) การใช้ปาสคาลเพื่อแสดงแรงดันเสียงมักจะน้อยเกินไปและยากต่อการประมวลผล ดังนั้นเดซิเบล (dB) จึงมักใช้เป็นหน่วยวัด อัตราส่วนลอการิทึมนี้อธิบายการตอบสนองของหูมนุษย์ต่อแรงสั่นสะเทือนของเสียงได้แม่นยำยิ่งขึ้น
ผู้ผลิตระบุค่าเดซิเบลสูงสุดตามการออกแบบและคุณลักษณะทางกายภาพของไมโครโฟน ค่าเดซิเบลสูงสุดหมายถึงระดับความดันเสียงที่ไดอะแฟรมเข้าใกล้แผ่นรองหลัง หรือเมื่อความเพี้ยนฮาร์มอนิกรวม (THD) ถึงค่าที่ระบุ (ปกติคือ 3% THD) ในสภาพแวดล้อมการใช้งานที่กำหนด เอาต์พุตเดซิเบลสูงสุดของไมโครโฟนจะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้และความไวของไมโครโฟน ก่อนที่จะคำนวณค่าเอาต์พุตเดซิเบลสูงสุดของไมโครโฟนโดยใช้ปรีแอมพลิฟายเออร์เฉพาะและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สอดคล้องกัน เราต้องคำนวณระดับความดันเสียงสูงสุดที่ไมโครโฟนสามารถทนได้ก่อน ค่าระดับความดันเสียง (SPL) สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:
P=Pa โดยที่แรงดันไฟฟ้าคือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของปรีแอมพลิฟายเออร์
เมื่อกำหนด SPL สูงสุดที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุดของไมโครโฟนแล้ว SPL จะสามารถแปลงเป็นเดซิเบลได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:
โดยที่ P คือความดันที่แสดงเป็นปาสคาล และ P0 คือ SPL อ้างอิง (ค่าคงที่=0.00002 Pa)
สูตรนี้ให้ค่า SPL ที่วัดได้สูงสุดเมื่อใช้ไมโครโฟนกับปรีแอมพลิฟายเออร์เฉพาะ หากต้องการกำหนดระดับเสียงขั้นต่ำหรือ SPL ที่ต้องการ โปรดดูมาตรฐานการจัดระดับเสียงรบกวนจากความร้อนของโมดูลไมโครโฟน ข้อมูลจำเพาะ CTN ให้ค่า SPL ขั้นต่ำที่ตรวจพบได้ ซึ่งสูงกว่าสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าโดยธรรมชาติของไมโครโฟน รูปที่ 6 แสดงระดับเสียงโดยทั่วไปเมื่อใช้ไมโครโฟนกับปรีแอมพลิฟายเออร์ที่ความถี่ต่างกัน
เมื่อเลือกไมโครโฟน จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องแน่ใจว่าค่าความดันที่วัดได้อยู่ระหว่างค่า CTN ของไมโครโฟนกับค่าเดซิเบลที่กำหนดสูงสุด โดยทั่วไป ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของไมโครโฟนเล็กลง ขีดจำกัดบนของค่าเดซิเบลก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย ไมโครโฟนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่มักจะมีค่า CTN ต่ำกว่า ดังนั้นจึงมักใช้สำหรับการวัดเดซิเบลช่วงต่ำ-
การตอบสนองความถี่
หลังจากกำหนดประเภทการตอบสนองของฟิลด์ไมโครโฟนที่ต้องการและช่วงไดนามิกแล้ว โปรดดูข้อมูลจำเพาะของไมโครโฟนเพื่อกำหนดช่วงความถี่ที่ใช้งานได้ ไมโครโฟนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่ามักจะมีขีดจำกัดความถี่บนที่สูงกว่า ในทางกลับกัน ไมโครโฟนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าจะมีความไวสูงกว่าและเหมาะกว่าสำหรับการตรวจจับความถี่ต่ำ-
โดยทั่วไปผู้ผลิตจะตั้งค่าความทนทานต่อความถี่ไว้ที่ ±2dB เมื่อเปรียบเทียบไมโครโฟนต่างๆ จำเป็นต้องตรวจสอบช่วงความถี่และความคลาดเคลื่อนสำหรับช่วงความถี่เฉพาะ หากข้อกำหนดการใช้งานไม่สูงและค่าเผื่อเดซิเบลที่เพิ่มขึ้นอยู่ภายในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ สามารถปรับปรุงช่วงความถี่ที่ใช้งานได้ของไมโครโฟนได้ คุณสามารถยืนยันกับผู้ผลิตหรือดูตารางการปรับเทียบไมโครโฟนเพื่อกำหนดช่วงความถี่ที่ใช้งานได้จริงซึ่งสอดคล้องกับค่าความคลาดเคลื่อนของเดซิเบลเฉพาะ
ประเภทโพลาไรซ์
ไมโครโฟนโพลาไรซ์ภายนอกแบบดั้งเดิมและไมโครโฟนโพลาไรซ์ก่อน-รุ่นใหม่กว่าเหมาะสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ แต่ทั้งสองมีความแตกต่างกัน ไมโครโฟนโพลาไรซ์ภายนอกเหมาะสำหรับช่วงอุณหภูมิ 120 องศาถึง 150 องศา ดังนั้นจึงแนะนำสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง- ไมโครโฟนโพลาไรซ์แบบพรี-เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่ชื้นมากกว่า การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกะทันหันอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรในโครงสร้างตัวเก็บประจุภายในของไมโครโฟนโพลาไรซ์ภายนอก
เนื่องจากไมโครโฟนโพลาไรซ์ภายนอกต้องใช้แรงดันไฟฟ้า 200V เฉพาะ จึงสามารถใช้สายเคเบิล 7- พินและขั้วต่อ LEMO เท่านั้นในการกำหนดค่า ไมโครโฟนพรีโพลาไรซ์รุ่นใหม่ที่ขับเคลื่อนโดยแหล่งกระแสคงที่ 2-20mA ใช้งานง่ายกว่าและได้รับความนิยมมากขึ้น ด้วยการกำหนดค่านี้ สามารถใช้สายมาตรฐานและสายโคแอกเชียลและขั้วต่อ BNC หรือ 10-32 เพื่อจ่ายกระแสและสัญญาณไปยังอุปกรณ์อ่านค่าได้
ช่วงอุณหภูมิ
ความไวของไมโครโฟนจะลดลงเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมถึงอุณหภูมิสูงสุดที่กำหนด เราจำเป็นต้องพิจารณาทั้งอุณหภูมิการทำงานและอุณหภูมิในการจัดเก็บของไมโครโฟน การทำงานหรือการจัดเก็บภายใต้สภาวะที่รุนแรงอาจส่งผลเสียต่อไมโครโฟนและเพิ่มข้อกำหนดในการสอบเทียบ ในกรณีส่วนใหญ่ พรีแอมป์ของระบบเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับช่วงอุณหภูมิการทำงาน แม้ว่าอุณหภูมิสูง 120 องศาจะไม่ส่งผลต่อความไวของไมโครโฟนส่วนใหญ่ แต่ปรีแอมป์ที่จำเป็นนั้นจำกัดอยู่เพียงการทำงานในสภาพแวดล้อมระหว่าง 60 องศาถึง 80 องศา
การปรับสภาพสัญญาณไมโครโฟน
เมื่อเตรียมการวัดไมโครโฟนโดยใช้อุปกรณ์ DAQ ให้พิจารณาประเด็นต่อไปนี้เพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดการปรับสภาพสัญญาณทั้งหมด:
การขยายสัญญาณเพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการวัดและ-อัตราส่วนสัญญาณต่อ-สัญญาณรบกวน
การกระตุ้นปัจจุบันเพื่อจ่ายกำลังให้กับปรีแอมพลิฟายเออร์ของเซ็นเซอร์ IEPE
คัปปลิ้ง AC เพื่อลดอคติ DC ปรับปรุงความละเอียด และใช้ช่วงทั้งหมดของอุปกรณ์อินพุตได้อย่างเต็มที่
การกรองเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนความถี่สูง-ภายนอก
การต่อสายดินที่เหมาะสมเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนที่เกิดจากกระแสระหว่างศักย์กราวด์ที่แตกต่างกัน
ช่วงไดนามิกเพื่อวัดช่วงแอมพลิจูดเต็มของไมโครโฟน
