使用麥克風(fēng)測(cè)量聲音

1. 什么是聲壓？

聲音是指通過(guò)介質(zhì)（空氣、液體或其他能被人耳所感知的介質(zhì)）傳播的壓力波動(dòng)。 壓力振蕩/聲音經(jīng)由耳膜轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)傳播到人腦，人腦接受到信號(hào)，根據(jù)信號(hào)特征識(shí)別出音樂(lè)、演講、噪聲等不同的聲音形式。 麥克風(fēng)的工作機(jī)制與耳膜一樣。 然后您可以通過(guò)錄制和分析這些信號(hào)來(lái)采集聲音從聲源到麥克風(fēng)的傳播途徑特征信息。 例如，在噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度測(cè)試過(guò)程中，工程師通常希望降低不希望有的聲音，如減少行車中影響乘客舒適度的聲音。 噪聲可以是人耳能聽(tīng)到頻率范圍之上或之下的聲音，亦或是在某個(gè)共振頻率時(shí)的聲音幅值。 對(duì)于需要降低噪聲來(lái)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，或?qū)υO(shè)備進(jìn)行性能和使用壽命等特性進(jìn)行分析的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，這些測(cè)量至關(guān)重要。

人類生活在充滿聲音的世界中，人耳能感知到周圍的聲壓，因此聲壓測(cè)量是一種常見(jiàn)的測(cè)量類型之一。 聲壓級(jí)表示接收器感知到的聲音強(qiáng)度，以帕斯卡(Pa)表示。 我們也可以測(cè)量聲源的聲功率。 聲功率級(jí)反映聲源向四周輻射的總能量大小，以瓦(W)表示。 它不受空間、接收器或與聲源距離等環(huán)境因素的影響。 功率是聲源的一個(gè)屬性，而聲壓則受環(huán)境，反射面、聲源與接受器的距離、環(huán)境噪聲等特征。

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2. 麥克風(fēng)的工作原理

設(shè)計(jì)麥克風(fēng)時(shí)，有多種方案可供選擇，但外部極化電容麥克風(fēng)、預(yù)極化駐極體電容式麥克風(fēng)、壓電式麥克風(fēng)是最常用的測(cè)量麥克風(fēng)。

電容式麥克風(fēng)

電容式麥克風(fēng)是基于電容設(shè)計(jì)的一種麥克風(fēng)。 電容式麥克風(fēng)包含的金屬振膜作為電容的一個(gè)基板。 緊靠振膜的金屬片作為電容的另一個(gè)基板。 聲場(chǎng)激勵(lì)金屬振膜后，兩個(gè)基板之間的電容可隨聲壓的變化而變化。 通過(guò)一個(gè)高電阻向基板施加一個(gè)穩(wěn)定直流電壓可使電荷保留在基板上。 電容的變化會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與聲壓成正比的交流輸出。 預(yù)極化麥克風(fēng)可通過(guò)外部極化電壓或材料本身的屬性對(duì)電容充電。 外部極化電容麥克風(fēng)需要200V的供電電壓。 預(yù)極化麥克風(fēng)由需要恒定電流源的IEPE預(yù)放大器供電。

壓電式麥克風(fēng)

壓電式麥克風(fēng)采用晶體結(jié)構(gòu)來(lái)生成背板電壓。 許多壓電式麥克風(fēng)采用與加速度計(jì)相同的信號(hào)調(diào)理機(jī)制，有些也適用IEPE信號(hào)調(diào)理來(lái)提供極化電壓。 雖然這種傳感器類型的麥克風(fēng)靈敏度低，但持久耐用，可測(cè)量高振幅聲壓。 但是，這種麥克風(fēng)的背景噪聲級(jí)別通常較高。 這種設(shè)計(jì)適用于沖擊壓力、爆破壓力測(cè)量應(yīng)用。

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3. 如何選擇合適的麥克風(fēng)？

響應(yīng)場(chǎng)

選擇麥克風(fēng)時(shí)必須考慮其運(yùn)行的場(chǎng)類型。 麥克風(fēng)分為三個(gè)類型：自由場(chǎng)、壓力場(chǎng)和擴(kuò)散場(chǎng)。 在低頻率環(huán)境下，這些麥克風(fēng)的工作原理相似，但在高頻環(huán)境下卻截然不同。

自由場(chǎng)麥克風(fēng)測(cè)量的是麥克風(fēng)隔膜處來(lái)自單個(gè)聲源直接發(fā)出的聲壓。 這類傳感器測(cè)量的是麥克風(fēng)進(jìn)入聲場(chǎng)之前存在的聲壓。這類麥克風(fēng)最適合沒(méi)有較硬表面或反射面的開(kāi)闊地域。 消音室或更開(kāi)闊的地帶是自由場(chǎng)麥克風(fēng)的理想使用場(chǎng)所。

壓力場(chǎng)麥克風(fēng)用于測(cè)量振膜前方的聲壓。 它在場(chǎng)內(nèi)任何位置的幅度跟相位均相同, 它的波長(zhǎng)相對(duì)較小，常見(jiàn)于密閉空間或腔體體內(nèi)。 壓力場(chǎng)傳感器應(yīng)用范例包括墻體抗壓測(cè)試、機(jī)翼壓力測(cè)試，以及管子、膠體、腔體等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓力測(cè)試。

有些情況下，聲音并非僅來(lái)自一個(gè)聲源。 擴(kuò)散場(chǎng)麥克風(fēng)對(duì)不同方位同時(shí)傳來(lái)的聲音作出統(tǒng)一響應(yīng)。 這類麥克風(fēng)適用于測(cè)量在教堂或其他具有堅(jiān)硬反射性墻體的聲音。 但是，對(duì)于多數(shù)麥克風(fēng)，壓力場(chǎng)和擴(kuò)散場(chǎng)響應(yīng)是相似的，因此壓力場(chǎng)麥克風(fēng)通常也用于擴(kuò)散場(chǎng)測(cè)量。

動(dòng)態(tài)范圍

描述聲音的主要標(biāo)準(zhǔn)是基于聲壓波動(dòng)的振幅。 人耳能感知到的最低聲壓振幅是百萬(wàn)分之20帕斯卡(20 μPa)。 用帕斯卡來(lái)表示聲壓，數(shù)值通常比較小，不利于處理，因此常用分貝(dB)作為計(jì)量單位。 這個(gè)對(duì)數(shù)比例可較準(zhǔn)確地描述人耳對(duì)聲壓振動(dòng)的反應(yīng)。

制造商根據(jù)麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)和物理特性來(lái)規(guī)定最大分貝值。 最大分貝值是指振膜趨近于背極板的聲壓，或總諧波失真(THD)達(dá)到指定值（通常是3%THD）。 在一定應(yīng)用環(huán)境中，麥克風(fēng)輸出的最大分貝值取決于提供的電壓和麥克風(fēng)的靈敏度。 在使用特定前置放大器及其對(duì)應(yīng)的峰值電壓計(jì)算出麥克風(fēng)的最大分貝輸出值之前，我們需要先算出麥克風(fēng)能承受的最大聲壓級(jí)。 可通過(guò)下列公式計(jì)算聲壓值：

P=Pa, 電壓為前置放大器的峰值電壓。

確定了麥克風(fēng)峰值電壓時(shí)的最大聲壓級(jí)，便可通過(guò)下列計(jì)算公式將聲壓級(jí)轉(zhuǎn)換成分貝值：

其中P是以帕斯卡表示的壓力
P0：參考聲壓（常數(shù)，=0.00002 Pa）

通過(guò)該公式可得出麥克風(fēng)與特定前置放大器配合使用時(shí)可測(cè)量的最大額定值。 如需確定所需的最小噪聲級(jí)別或聲壓，可參閱麥克風(fēng)的模塊熱噪聲評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 CTN規(guī)范提供了可檢測(cè)到的最小聲壓值， 該值高于麥克風(fēng)的固有電噪聲。 圖6顯示了不同頻率下，麥克風(fēng)與前置放大器配合使時(shí)的典型噪聲級(jí)別。

選擇麥克風(fēng)時(shí)， 必須確保所測(cè)的壓力值介于麥克風(fēng)的CTN值和最大額定分貝值之間。 總而言之，麥克風(fēng)的直徑越小，分貝值上限越大。 直徑大的麥克風(fēng)一般CTN值較小，因此常用于低量程分貝測(cè)量。

頻率響應(yīng)

確定了所需的麥克風(fēng)場(chǎng)響應(yīng)類型及動(dòng)態(tài)范圍后，可參閱麥克風(fēng)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，以確定可用的頻率范圍。 直徑小的傳聲器，上限頻率通常較高。 反之，直徑大的麥克風(fēng)靈敏度高，更適用于低頻檢測(cè)。

制造商一般將頻率的容差設(shè)置為±2dB。 比較不同麥克風(fēng)時(shí)，一定要檢查不同麥克風(fēng)的頻率范圍以及特定頻率范圍的容差。 如果應(yīng)用要求不高， 而增加的分貝容差在允許范圍內(nèi)，便可提高麥克風(fēng)的可用頻率范圍。 您可與制造商確認(rèn)或參照麥克風(fēng)校準(zhǔn)表，確定特定分貝容差對(duì)應(yīng)的實(shí)際可用頻率范圍。

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極化類型

傳統(tǒng)外部極化麥克風(fēng)跟新式預(yù)極化麥克風(fēng)適用于大部分應(yīng)用環(huán)境，但這兩者之間也有差異。 外部極化麥克風(fēng)的靈敏度更符合120 °C 到 150 °C 的溫度范圍，因此在高溫環(huán)境中建議使用外部極化麥克風(fēng)。 而預(yù)極化麥克風(fēng)更適用于潮濕環(huán)境。 溫度的驟變會(huì)導(dǎo)致外部極化麥克風(fēng)的內(nèi)部電容結(jié)構(gòu)短路。

由于外部極化麥克風(fēng)需要200V的特定電壓，因此配置時(shí)，只能選用7針電纜和LEMO連接器。 新型預(yù)極化麥克風(fēng)通過(guò)2-20mA的恒源流供電，便于使用，因此更受歡迎。 這種配置下，您可使用標(biāo)準(zhǔn)和同軸線纜和BNC或10-32連接器來(lái)為讀取設(shè)備提供電流和信號(hào)。

溫度范圍

當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到麥克風(fēng)最大規(guī)定溫度時(shí)，麥克風(fēng)的靈敏度就會(huì)下降。 我們需要綜合考慮麥克風(fēng)的工作溫度和存儲(chǔ)溫度。 極端條件下的運(yùn)行或存儲(chǔ)會(huì)對(duì)麥克風(fēng)產(chǎn)生負(fù)面影響，增加其校準(zhǔn)要求。 多數(shù)情況下，系統(tǒng)前置放大器是工作溫度范圍的制約因素。 盡管120°C 高溫環(huán)境對(duì)多數(shù)麥克風(fēng)的靈敏度沒(méi)有影響，但所需的前置放大器卻限于在60 °C 到80 °C的環(huán)境下運(yùn)行。

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4. 麥克風(fēng)信號(hào)調(diào)理

當(dāng)準(zhǔn)備要使用DAQ設(shè)備測(cè)量的麥克風(fēng)時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)，以確保滿足您所有的信號(hào)調(diào)??理要求：

• 放大，以提高測(cè)量精度和信噪比
• 電流激勵(lì)，為IEPE傳感器的前置放大器供電
• AC耦合，以消除直流偏置、提高分辨率，并充分利用輸入設(shè)備的整個(gè)量程
• 濾波，消除外部的高頻噪聲
• 正確接地，以消除不同接地電位之間的電流產(chǎn)生的噪聲
• 動(dòng)態(tài)范圍，以測(cè)量麥克風(fēng)的完整振幅范圍