Чого очікувати від використання мікрофонів низької якості

Новини

2 тижні тому

Навіть найдрібніші частинки можуть зруйнувати точність акустичних вимірювань.
Д-р Ремі Гуаставіно пояснює, чому дешеві мікрофони можуть обійтися значно дорожче, розкриваючи приховані проблеми у їхній роботі, точності та надійності.

Ледь помітні, але значущі відхилення

Головна проблема використання вимірювальних мікрофонів низької якості полягає в тому, що їхні недоліки часто надто слабкі, щоб їх виявити безперервно — якщо не контролювати чутливість мікрофона за допомогою калібратора. Це не означає, що відмінностей немає: вони існують, але є прихованими та можуть мати значний вплив на точність і довготривалу стабільність вимірювань, особливо за специфічних умов.

(Примітка: реальні характеристики можуть суттєво відрізнятися від вказаних у технічних даних.)

Чистота – понад усе!

Однією з найпоширеніших проблем вимірювальних мікрофонів є забруднення частинками, що безпосередньо впливає на їхню чистоту та робочі параметри. У прецизійних мікрофонах зазор між задньою пластиною та діафрагмою становить лише близько 20 мкм і визначає ємність конденсатора мікрофона. Для порівняння: товщина людської волосини — від 60 до 100 мкм, тобто у 3–5 разів більша.

Рисунок 1. Відстань між мембраною вимірювального мікрофона

Будь-які частинки, що потрапили в капсулу, можуть просунутися під діафрагму, впливаючи на ємність і/або поляризаційну напругу, тим самим змінюючи чутливість мікрофона та рівень шуму. Зміни температури та вологості можуть посилювати цей ефект: навколо частинок утворюється конденсат, що ще більше зміщує чутливість та підвищує шумовий поріг.

Рисунок 2. Частинки, що потрапили між діафрагмою та задньою пластиною

Наскільки це критично?

Одна компанія стверджувала, що після випробувань їхніх мікрофонів у середовищі з високою вологістю чутливість змінювалася більш ніж на 1,5 дБ, але після висушування залишалась лише на рівні +0,3 дБ від початкової. Проте для HBK така поведінка є неприйнятною.

Наш досвід показує: мікрофони, які не пройшли належного очищення, не забезпечать стабільної чутливості.

Рисунок 3. Видимі частинки, що потрапили між корпусом та діафрагмою, порівняно зі здоровою діафрагмою.

У власному експерименті ми піддали 40 мікрофонів впливу високої вологості протягом тижня. Результат: у 40% зміна чутливості перевищила 0,2 дБ, а в окремих випадках втрати сягали понад 4 дБ. Водночас прецизійні вимірювальні мікрофони HBK показали відсутність вимірюваних змін чутливості.

Чи можна вважати прийнятною довготривалу стабільність мікрофона, у якого чутливість змінюється більше ніж на 0,2 дБ під впливом вологості?

Чи можна виправити?

Коротка відповідь: практично ні.

Чутливість мікрофона буде «плавати» протягом дня, вимагаючи постійної перекалібровки. При цьому проста корекція чутливості не усуває проблему: зміни поляризаційної напруги також впливають на натяг діафрагми, що змінює високочастотну характеристику мікрофона.

Малюнок 4. Чудовий та погана выдгук мікрофона до та після корекції чутливості.

На що ще звернути уваг

Попри уявну простоту, високоякісні мікрофони виготовляються з ретельно підібраних матеріалів, що забезпечують стабільність за змін температури та статичного тиску. Без такої прецизійної конструкції мікрофон схильний до гістерезису: під дією температурних коливань або тиску елементи капсули (зокрема діафрагма) можуть зміщуватися у нове положення, змінюючи рівновагу та викликаючи постійні зсуви чутливості.

У мікрофонах поганої конструкції ці зміни залишаються навіть після повернення до нормальних умов, що призводить до ненадійних результатів у вимірюваннях.

Рисунок 5. Мікрофон демонструє гістерезис під впливом температурного навантаження

Як це впливає на практику вимірювань?

Мікрофони низької якості означають:

Знижену точність – дані стають ненадійними.
Вищий шумовий поріг – падає відношення сигнал/шум.
Обмежену смугу частот – знижується точність у критичних діапазонах.
Проблеми з калібруванням – мікрофони не утримують чутливість, вимагаючи частих повторних калібровок.

Мікрофон — це перша і найважливіша ланка вимірювального ланцюга. Якість сигналу, який він реєструє, має бути максимально можливою. Якщо мікрофон має високу невизначеність, це призведе до зростання похибок у всьому вимірювальному тракті.

Рисунок 6. Оцінені усереднені невизначеності для кожної ланки базового вимірювального ланцюга (датчик, кабелі, інтерфейс та аналіз програмного забезпечення).