Основные характеристики. Методы измерений
Требования к электроакустическим параметрам микрофонов, методам и условиям измерения их параметров изложены в отечественных стандартах и международных документах: ГОСТ 6495—88 [4.1], ГОСТ 161.23—88 [4.2], МЭК 268 часть 4 [4.3], МЭК 268 часть 15 [4.4], МЭК 581 часть 5 [4.5], DIN 45500 часть 5 [4.6].
Качество звукопередачи микрофона определяется совокупностью многих его параметров и характеристик. В справочнике приводятся только основные параметры микрофонов и методы их измерения.
Схема измерения частотной характеристики чувствительности:
ВМ2 — микрофон измерительный или испытуемый
Основными параметрами и характеристиками, по которым оценивается микрофон, являются его чувствительность и зависимость чувствительности от частоты и угла падения звуковой волны в номинальном диапазоне частот. Под номинальным диапазоном частот понимается диапазон, задаваемый в зависимости от назначения микрофона. В этом диапазоне определяется зависимость чувствительности от частоты. Под чувствительностью (приведенной в справочнике для конкретных моделей микрофонов) понимается чувствительность по свободному звуковому полю, т. е. отношение электродвижущей силы на выходе микрофона к звуковому давлению в рабочей точке свободного звукового поля при угле падения звуковой волны 0°. Свободное звуковое поле получают в звукомерных камерах, в которых влияние отражающих поверхностей пренебрежимо мало. Под углом падения звуковой волны понимается угол между рабочей осью микрофона, т. е. прямой, проходящей через рабочий центр микрофона в направлении его максимальной чувствительности, и направлением распространения звуковой волны вдоль рабочей оси излучателя. Зависимость чувствитель¬ности от частоты в номинальном диапазоне частот называется частотной характеристикой чувствительности (ЧХЧ). Чувствительность и ЧХЧ могут быть измерены при любом угле падения звуковой волны. Измерения чувствительности и ЧХЧ производят при нормальных климатических условиях, т. е. при любой комбинации температур, относительной влажности и атмосферного давления в звукомерной камере, не выходящих за пределы 15...35°С, 25...75% и 86...106 Па. Измерения производят по структурной схеме. На бланке самописца записывается частотная характеристика чувствительности или уровня чувствительности. Под уровнем чувствительности понимается двадцать десятичных логарифмов отношения чувствительности микрофона к чувствительности 1 В/Па. Звуковое давление создается излучателем при подведении к нему синусоидального сигнала. Частотная характеристика чувствительности записывается при поддержании постоянства звукового давления. Чувствительность микрофона
где U — напряжение холостого хода на выходе микрофона, В; К — коэффициент усиления микрофонного усилителя, рі — звуковое давление в точке размещения испытуемого микрофона, определенное с помощью измерительного микрофона, Па.
Чувствительность, частотную характеристику чувствительности или уровня чувствительности можно измерять с помощью шумового сигнала. В этом случае низкочастотный генератор в схеме заменяется генератором розового шума и третьоктавным фильтром. При измерении с помощью шумового сигнала чувствительность и ЧХЧ определяют в третьоктавных полосах шума. По записи ЧХЧ определяют ее неравномерность в номинальном диапазоне частот по формуле.
где Sм mах — максимальное и Sm min — минимальное значения чувствительности, В*Па-1. При определении неравномерности ЧХЧ пики и провалы уже 1/8 октавы не учитываются. Неравномерность ЧХЧ, являясь причиной искажения тембра, должна быть минимальной в широком диапазоне частот. Однако это требование справедливо только для условий звукозаписи в высококачественных студиях и было бы ошибочно распространять его для любых акустических условий.
При установившемся серийном производстве, т. е. строгом соблюдении технологии изготовления, определяется средняя ЧХЧ данного типа микрофона и возможные (определяемые допусками на детали) отклонения от нее. Тогда в технических условиях на эту модель микрофона приводится типовая ЧХЧ с допусковой областью. Неравномерность ЧХЧ микрофона ограничивается допусковой областью. Такое нормирование принято в стандартах МЭК для микрофонов категории Hi—Fi, так как обеспечивает более стабильную форму ЦХЧ. При этом на крутизну типовой ЧХЧ, т. е. на отношение величины изменения чувствительности, выраженное, в децибелах, к величине частотного интервала, выраженного в октавах, на котором это изменение произошло, накладываются ограничения: в низкочастотном диапазоне (до 250 Гц) и высокочастотном диапазоне (выше 8000 Гц) — 9 дБ/окт в диапазоне 250...8000 Гц — 6 дБ/окт.
Направленные свойства микрофонов оцениваются характеристикой направленности, т. е. зависимостью чувствительности микрофона, по свободному полю 01 угла падения звуковой волны на заданной частоте и частотной характеристикой направленности, т. е. зависимостью характеристики направленности от частоты. Оба этих параметра можно определить из семейства ЧХЧ, снятых при различных углах падения звуковой волны Графически характеристика направленности изображается на бланках с полярными координатами.
Направленные свойства микрофонов оцениваются также перепадом чувствительности, т. е. отношением, выраженным в децибелах, значений чувствительности при падении звуковых волн вдоль двух произвольно выбранных направлений. Обычно нормируется перепад чувствительности при углах, падения звуковых волн 0 и 180° (перепад чувствительности «фронт — тыл») или при углах паления 0 и 90°. Перепад чувствительности нормируется либо на любой частоте номинального диапазона, либо в ограниченном диапазоне внутри номинального. При этом под средним перепадом чувствительности понимается среднее квадратичное значение перепадов чувствительности, выраженное в децибелах. Средний перепад чувствительности
где Sм0 — чувствительность микрофона при угле падения звуковой волны 0, В*Па-1; Sм — чувствительность микрофона при угле падения звуковой волны 0°, В*Па-1; n — число точек подсчета (производится на дискретных частотах октавного ряда).
Важным параметром, определяющим качество звукопередачи микрофона, является динамический диапазон, т. е. разность между максимальным уровнем звукового давления, при котором нелинейные искажения напряжения на выходе микрофона не превышают заданную величину (обычно 0,5...1,0%) и уровнем эквивалентного звукового давления, обусловленным собственным шумом микрофона:
где Lпр — уровень предельного звукового давления, дБ; Lэ — уровень эквивалентного звукового давления, обусловленный помехами, дБ.
Уровень эквивалентного звукового давления — это двадцать десятичных логарифмов отношения напряжения на выходе микрофона, вызванного воздействием на микрофон внутренних и внешних помех при отсутствии звукового поля, к напряжению на выходе микрофона при воздействии звукового давления, равного 2*10-5 Па:
где Uвых — напряжение на выходе микрофона, вызванное помехами, В; U0 - напряжение на выходе микрофона при воздействии звукового давления 2*10-1 Па; Sм — чувствительность микрофона на частоте 1000 Гц, В*Па-1.
Уровнем предельного звукового давления называется уровень звукового давления, при котором коэффициент гармонических искажений Кг не превышает установленное значение.
Уровень предельного звукового давления задается для электродинамических ненаправленных микрофонов и конденсаторных (в том числе, электретных) направленных и ненаправленных микрофонов.
Схема измерения уровня предельного звукового давления: а) для любых микрофонов:
б) для конденсаторных микрофонов:
Измерение уровня предельного звукового давления микрофонов производят по схеме рис а, причем в качестве устройства для создания высоких давлений используется «труба—резонатор». Уровень давления плавно увеличивают до тех пор, пока коэффициент гармонических искажений напряжения на выходе микрофона Кг не достигнет указанного в технических условиях на микрофон значения. Уровень звукового давления
где Umax — напряжение холостого хода на выходе микрофона, при котором Кг достиг заданного значении, В; Sm — чувствительность микрофона на частоте измерения, В/Па; р0 — нулевой уровень звукового давления, равный 2*10-5 Па.
Определение уровня предельного звукового давления конденсаторных Микрофонов производится по схеме рис. б, путем измерения гармонических искажений напряжения на выходе микрофона. При этом, капсюль микрофона замещается конденсатором с эквивалентной емкостью. Напряжение, подводимое на электрический эквивалент капсюля, плавно увеличивают до тех пор, пока коэффициент гармонических искажений напряжения на выходе микрофона не достигнет заданного значения. Анализатором спектра измеряют напряжение первой гармоники и гармоник i-го порядка, Коэффициент гармоник вычисляют по (4.11), уровень предельного звукового давления — по (4.9).
Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленного собственный шумом конденсаторных микрофонов, определяется измерением напряжения на выходе микрофона при замещении капсюля эквивалентной ему емкостью н вычисляется по формуле
где U1 — напряжение холостого хода на выходе микрофона, В; Кг — модуль коэффициента передачи измерительного тракта.
Полный коэффициент гармонических искажений, %, определяют анализатором спектра, измеряя напряжение первой гармоники, затем второй (по пятую включительно) и вычисляют по формуле
где U1 — напряжение первой гармоники, В; Ui— напряжение 1-й гармоники, В.
Схема измерения модуля полного электрического сопротивления: а) электродинамических микрофонов:
б) конденсаторных микрофонов:
С — конденсатор, емкость которого эквивалентна емкости капсюля;
ПУ — предварительный усилитель испытуемого микрофона;
S — переключатель
Модулем полного электрического сопротивления микрофона называется модуль комплексной величины отношения напряжения на выходе микрофона к результирующему току. Методы измерения модуля полного электрического сопротивления различаются в зависимости от принципа преобразования. Схема измерения модуля полного электрического сопротивления электродинамических микрофонов показана на рис. а. Напряжение, подаваемое на микрофон, не должно превышать значения напряжения на выходе микрофона при воздействии предельного звукового давления, указанного в научно-технической документации на микрофон. Суммарное сопротивление резистора и выходного сопротивления генератора должны не менее, чем в 20 раз превышать ориентировочное значение модуля полного электрического сопротивления микрофона на частоте 1000 Гц. Поочередно проводят запись частотных зависимостей уровней напряжений с микрофона и с резистора R2, значение которого приблизительно равно модулю полного электрического сопротивления микрофона. За результат измерения принимают значения модуля полного электрического сопротивления микрофона, определенного на данной частоте как произведение сопротивления резистора на число, соответствующее разности уровней напряжений, снимаемых с испытуемого микрофона и резистора R2
где LR — уровень напряжения при включенном резисторе R2; Lм — уровень напряжения при включенном микрофоне, дБ; R2 — сопротивление резистора R2, Ом.
Модуль полного электрического сопротивления конденсаторных микрофонов измеряется по схеме рис. б. Сначала измеряют напряжение на выходе ПУ прн разомкнутом контакте переключателя. Затем замыкают контакт и подбирают такое сопротивление на магазине, при котором напряжение на выходе ПУ равно половине напряжения при разомкнутом переключателе. За результат измерения принимают значение сопротивления, установленного на магазине.