技術指南:使用麥克風量測聲音

十二月 7, 2017
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了解聲音壓力的基礎知識、麥克風運作原理,乃至於不同感測器規格對應用中麥克風效能的影響程度。​
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除了感測器特性,您還需要考慮到所需的軟硬體,以正確處理、取得與視覺化麥克風量測值。 舉例來說,您需要執行訊號處理 (例如針對原始聲音壓力訊號進行倍頻帶分析),並以相當於人耳響應的格式呈現資料。 ​

什麼是聲音壓力?     ​

無論是在空氣中、水中或是人耳可偵測到的其他媒介裡,各種壓力變量都可被視為聲音。人的耳鼓會將壓力震盪或聲音轉換為電力訊號,人腦在接收到這些訊號後會將其解譯為音樂、話語、噪音等。 麥克風便是仿效這樣的運作方式來設計。 您可以接著將這些訊號錄製下來並進行分析,以收集聲音從來源傳遞至麥克風之間所經過的路徑本質資訊。 例如,在噪音、振動與舒適(NVH)測試中,工程師通常比較想要減少不當聲響,像是車內乘客在行駛期間所感受到的噪音。 這些噪音可能包括頻率高於或低於人耳可偵測到的聲音,或是特定共振頻率下的振幅。 對於需要減少噪音以符合噪音排放標準,或是需要描述裝置特性以達到高效能及悠久使用壽命的設計師來說,這些量測值有其重要性。

聲音壓力是最常見的量測值,因為人類無時無刻都暴露在聲音之中,並且可以偵測到聲音壓力。 聲壓準位以 Pascal(Pa)為量測單位來呈現接收者所感知的聲音。 您也可以判斷來源的聲音功率。 聲音功率準位以瓦特(W)為量測單位來呈現往四面八方放射出去的總聲響能量。 此能量不受環境影響,包括房間、接收器或是與來源之間的距離。 功率是來源屬性,而聲音壓力則是取決於環境,可反映表面、接收者距離、環境聲音等。​
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麥克風運作方式為何?

您有數種不同的麥克風設計選項,但是最常見的樂器麥克風則是外部極化電容式麥克風、前置極化駐極體電容式麥克風與壓電式麥克風。
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麥克風是一種傳感器,可將聲波轉換為電子訊號。
電容式麥克風
電容式麥克風透過電容設計運作。 它利用伸展金屬隔膜來構成一片電容器。 置於隔膜旁邊的金屬碟片則當做背板使用。 當音場激發隔膜,兩塊背板之間的電容便會依據聲音壓力中的變量產生差異變化。 透過高電阻將穩定的 DC 電壓傳送到背板上,可以確保背板上的電荷不流失。 電容變化會產生與聲音壓力等比例的 AC 輸出。 此電容中的電荷可由外部極化電壓或材質本身性質來產生,如同前置極化麥克風所應用的原理。 外部極化麥克風需要 200 V 外部電源。 前置極化麥克風則由 IEPE 前置放大器提供電源,而該放大器需要穩定的電流來源。
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最常見的樂器麥克風,這是透過電容設計運作的電容式麥克風。
壓電式麥克風
壓電式麥克風使用水晶結構來產生背板電壓。 許多壓電式麥克風使用與加速規相同的訊號處理方式,而且可能使用 IEPE 訊號處理方式來提供極化電壓。 雖然這些感測器類型麥克風具有低敏感度準位,但是卻非常耐用,而且能夠量測高振幅壓力範圍。 反之,此類型麥克風的水平噪音準位一般來說則很高。 此設計適用於撞擊與爆破壓力等量測應用。

如何選擇正確的麥克風?

響應場
您必須依據作業音場類型,選擇最適合的麥克風。 三種量測麥克風類型分別是自由音場、壓力音場與隨機入射音場。 這些麥克風在較低頻率下運作方式類似,但在較高頻率時則不同。
自由音場麥克風會直接對著麥克風隔膜,量測單一來源的聲音壓力。 它會在麥克風進入音場之前,量測存在的聲音壓力。這些麥克風在沒有堅硬或反射表面的開放式區域下能夠達到最佳效果。 無回音室或較大的開放式區域最適合自由音場麥克風使用。
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自由音場麥克風
壓力音場麥克風主要用來量測隔膜前方的聲音壓力。 不管在音場的任何位置,它都具備相同強度與相位。 在封閉空間或凹洞裡經常可見到此類麥克風的應用,而與波長相比,此類麥克風較小。 壓力音場麥克風應用範例包括測試施加在牆壁、飛機機翼或是管線、外殼或凹洞之類內部結構的壓力。
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壓力音場麥克風
在許多狀況下,聲音不會從單一來源傳播過來。 隨機入射或擴散音場麥克風會一致地回應同時來自四面八方的聲音。 當您在教堂,或是環境中具有堅硬且可反射聲音的牆壁時,就可以使用這類型麥克風來量測聲音。 不過,對大多數麥克風來說,壓力與隨機入射響應非常相似,因此壓力音場麥克風經常應用於隨機入射量測。
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隨機入射麥克風
動態範圍
描述聲音時,主要依據聲音壓力波動振幅條件。 健康人耳可偵測到的最低振幅為 2000 萬分之 1 巴斯卡 (20 μPa)。 巴斯卡所代表的壓力數字通常很低且不易管理,於是便發展出另一個較常用的刻度,亦即分貝(dB)。 這種對數刻度更能代表人耳對於壓力波動所產生的響應。
製造商會依據麥克風的設計與物理特性,指定其最大分貝準位。 指定最大 dB 準位指的是隔膜接近背板的點,而總諧波失真(THD)通常會在 3% THD 時到達指定的音量。 麥克風在特定應用所輸出的最大分貝準位,取決於提供的電壓與該特定麥克風的敏感度。 在您使用特定前置放大器計算麥克風的最大輸出功率時及其相對應的峰值電壓時,首先您需要計算麥克風可接受的巴斯卡壓力。 您可以使用下列公式計算壓力值:
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其中 P = 巴斯卡(Pa)而電壓是前置放大器輸出峰值電壓。
決定了麥克風在峰值電壓狀態下可感知的最大壓力準位之後,您就可以使用下列對數刻度將此值轉換為分貝 (dB) 單位:
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其中 P = 巴斯卡壓力
Po = 參照巴斯卡 (常數 = 0.00002 Pa)
此公式可算出與特定前置放大器合併使用的麥克風,所能量測的最大準位。 在低音噪音準位上(或為所需的最低壓力值),您需要檢查麥克風的盒式熱雜訊 (CTN)準位。 此 CTN 規格提供超出麥克風固有電流雜訊,可被量測到最低聲壓準位。 下圖顯示搭配前置放大器一起使用的麥克風,在不同頻率下的雜訊準位。
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在麥克風較高與較低輸出功率下,此固有雜訊會呈現最大準位。
選擇麥克風時,您必須確認所測試的壓力準位落在麥克風 CTN 與其最大分貝準位之間。 一般來說,麥克風直徑越小,高音分貝準位越大。 直徑較大的麥克風通常會有較低的 CTN,因此適合進行低音範圍分貝量測。

頻率響應
在考慮所需的麥克風音場響應與動態範圍類型之後,請檢閱麥克風的規格表以找出可用的頻率範圍 (Hz)。 直徑較小的麥克風通常具有較高的高音頻率準位。 反之,直徑較大的麥克風會較敏感,比較適合用來偵測低音頻率。

製造商會在頻率規格上註明 ±2 dB 的公差。 比較麥克風時,請務必檢查頻率範圍,以及和該特定頻率範圍相關聯的公差。 如果不是非常重要的應用,只要您願意增加可允許的分貝公差,就能提升麥克風的可用頻率範圍。 您可以洽詢製造商或是查閱特定麥克風校準表,判斷特定分貝公差內實際可用的頻率範圍。

極化類型
傳統外部極化與現代前置極化麥克風都適用於大多數應用,但兩者之間確實存在一些差異。 外部極化麥克風適合應用在高溫環境(120 °C 至 150 °C),因為其敏感度準位在此範圍內較穩定一致。 前置極化麥克風在潮濕環境下效能較穩定一致。 驟然變化的溫度在麥克風內部元件造成冷凝現象,可能會造成外部極化麥克風短路。

由於外部極化麥克風需要個別提供的200 V 電源,因此您在此環境中只能使用7-導體配線及LEMO接頭。 較新型的前置極化麥克風使用簡便的2–20mA穩定電流,因此越來越受歡迎。 透過這項設計,您可以使用BNC標準同軸電纜或10-32接頭,同時對讀出裝置供電與傳輸訊號。

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溫度範圍
麥克風敏感度會在溫度接麥克風最大規格時降低。 除了作業溫度,您還需要注意麥克風儲存溫度。 在極端環境下操作與/或儲存麥克風,會對其造成不良影響並增加其校準需要。 在許多狀況下,必要的前置放大器可能是作業溫度範圍的限制因素。 雖然大多數麥克風可以在 120 °C 條件下作業而不會喪失敏感度,但這類麥克風所需的前置放大器通常只能在 60 °C 至 80 °C 溫度範圍內作業。

麥克風訊號處理​

在準備麥克風以便由 DAQ 裝置正確量測時,您需要考慮到下列事項,以確保符合所有訊號處理需求:

  • 透過電流放大來增加量測解析度,同時提升訊噪比
  • 透過電流激發,為 IEPE 感測器中的前置放大器供電
  • 透過 AC 耦合去除 DC 偏移以增加解析度,同時善用完整的輸入裝置範圍
  • 透過濾波來移除外來的高頻雜訊
  • 透過合適接地去除不同接地電位之間的電流雜訊
  • 透過動態範圍量測麥克風的完整振幅範圍

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