Експериментальне дослідження

ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОГО МІКРОФОНА

Мета роботи: навчитися вимірювати параметри і одержувати експериментальні характеристики мікрофонів.

Короткі теоретичні відомості

Електродинамічні мікрофони - це електроакустичні перетворювачі, за допомогою яких акустичні коливання перетворюються в електричні в результаті впливу на діафрагму звукових коливань. Схема мікрофона електродинамічної конструкції приведена на рис. 1.1.

Звукові коливання приводять в рух діафрагму разом з жорстко скріпленою котушкою в напрямку осі мікрофона, перпендикулярному напрямкові радіального магнітного поля в повітряному зазорі. У результаті цього в котушці наводиться електрорушійна сила (ЕРС) звукової частоти, яка і є вихідним сигналом.

Якість мікрофонів може бути оцінена по ряду параметрів і характеристик.

Номінальний діапазон робочих частот, Гц – діапазон частот, у якому мікрофон сприймає звукові коливання і нормуються його характеристики.

Чутливість, мВ/Па – відношення напруги на виході мікрофона до діючого на вході звукового тиску:

.

Зазвичай вказується чутливість у напрямку робочої осі у вільному полі. Часто користуються поняттям рівня чутливості, дБ:

.

Перепад чутливості, “фронт-тил” – відношення чутливості мікрофона в напрямку робочої осі до чутливості під кутом 180º до неї.

Частотна характеристика – залежність осьової чутливості або її рівня від частоти: Е(f), N(f).

Нерівномірність частотної характеристики, дБ - різниця між максимальним і мінімальним рівнем чутливості мікрофона в номінальному діапазоні частот.

Діаграма спрямованості – графічне зображення залежності осьової чутливості на визначеній частоті (зазвичай 1 кГц) від кута між віссю і напрямком на джерело, представлене в полярних координатах, .

Рівень власного шуму мікрофона – виражене в дБ відношення ефективного значення напруги, обумовленого флуктуаціями тиску в навколишнім середовищі і тепловими шумами в опорах електричної частини мікрофона, до напруги, що розвивається мікрофоном при впливі корисного сигналу на вході зі звуковим тиском 0,1 Па.

Відповідно до числових значень параметрів мікрофони розділяються на групи складності: вищу (0), першу (1), другу (2) та третю (3).

Порядок виконання роботи

Порядок виконання даної роботи базується на методах, наведених у нині діючому державному стандарті [1], однак, враховуючи навчальний характер роботи, засоби вимірювання й умови експериментів можуть не відповідати вимогам цього стандарту.

1. Використовуване обладнання. Для проведення експериментальних досліджень необхідно мати (рис. 1.2) генератор сигналів звукової частоти (ГЗЧ), підсилювач звукової частоти (ПЗЧ) і акустичну систему (АС) або активну акустичну систему високої якості з відомими частотними характеристиками, осцилограф (ОСЦ) і/або вольтметр змінного струму (В), вимірювальний підсилювач (ВП), високоякісний еталонний мікрофон з відомими характеристиками і досліджуваний мікрофон (МКФ). Акустична система та мікрофон розміщуються в акустичній заглушеній камері ^*), що знижує вплив зовнішніх факторів на експеримент та знижує рівень звуку в лабораторії під час експерименту. Для спрощення та підвищення точності зняття амплітудно-частотної характеристики можна використати низькочастотний (звуковий) генератор "рожевого" шуму (ГШН) на вході та аналізатор спектра АСП) на виході схеми (рис.1.2). Замість реальних приладів (ГЗЧ, ГШН, АСП, ОСЦ та В) можуть бути використані віртуальні прилади, реалізовані програмно на персональному комп'ютері або встановлені на комп’ютері програми обробки звуку типу "Cool Edit" та "Sound Forge" з виходом на високоякісну звукову карту.

Перед виконанням експериментів необхідно записати перелік та паспортні дані використовуваного обладнання і значення коефіцієнта підсилення вимірювального підсилювача.

Приклад конкретних приладів та устаткування для використання в даній лабораторній роботі з їх основними параметрами та характеристиками приведено у Додатку 1.

*) Акустична камера розроблена та виготовлена студентом Пеліновським М.Л в рамках дипломного проектування.

2. Підготовка до експериментів. Установити в акустичну камеру еталонний мікрофон та акустичну систему напроти один одного на відстані 15...20см так, щоб їх робочі осі співпадали, і заміряти відстань l між ними. Підключити їх до роз’ємів та закрити камеру. Зібрати схему установки, підключивши прилади відповідно рис. 1.2. Показати схему для перевірки викладачеві.

3. Визначення чутливості мікрофона. За допомогою ГЗЧ задати сигнал частотою 1000 Гц і амплітудою (встановлюється регуляторами ГЗЧ та ПЗЧ), при якій амплітуда напруги на виході вимірювального підсилювача буде знаходитися в межах U_ВП = 100...150 мВ (визначається по осцилографу), що обумовлено обмеженням допустимого рівня гучності в аудиторії. Регулятори тембру ПЗЧ при цьому повинні знаходитися в положенні, що відповідає максимальній лінійності АЧХ каналу ПЗЧ – АС (визначається заздалегідь і задається викладачем).

Тут і далі в процесі лабораторної роботи, щоб виключити неприємні відчуття та не перешкоджати проведенню занять в інших аудиторіях, включати звук слід лише на короткий час, достатній для вимірювання, після чого вимкнути ГЗЧ або ПЗЧ, не змінюючи встановлених настройок !!!

Визначивши за допомогою осцилографа або вольтметра величину напруги U_ВП.ет, обчислити величину звукового тиску на вході мікрофона по формулі

,

(1.1)

де Е_ет – відома паспортна чутливість еталонного мікрофона, мВ/Па.

Відкрити акустичну камеру та підключити замість еталонного мікрофона досліджуваний мікрофон, помістивши його в ту ж точку поля (на тій же відстані від АС), при незмінному вхідному сигналі виміряти напругу U_ВП.д і обчислити чутливість досліджуваного мікрофона по робочій осі на частоті 1000 Гц, використавши формулу

.

(1.2)

4. Зняття тапобудова діаграми направленості і визначення перепаду чутливості фронт-тил. При тому ж вхідному сигналі, повертаючи досліджуваний мікрофон навколо своєї осі з дискретністю 30º, заміряти напругу на виході ВП та визначити чутливість мікрофона при різних кутах аналогічно п. 3. За результатами експерименту побудувати діаграму направленості, що представляє собою графік залежності в полярних координатах.

Узявши відношення чутливості при і º, визначити перепад чутливості фронт-тил у [дБ] по формулі

.

(1.3)

Розрахувати для кожного значення кута α відносну чутливість у [дБ] по відношенню до чутливості по робочій осі

.

(1.4)

та побудувати залежність .

5. Зняття тапобудова частотної характеристики. Змінюючи частоту ГЗЧ при незмінній амплітуді сигналу в заданому діапазоні (50…12000 Гц) з дискретністю в 1 октаву (1 октава відповідає зміні частоти в 2 рази) виміряти напругу U_ВП.д на виході ВП. Результати цих і подальших вимірів та розрахунків зручно звести в таблицю (табл.1.1). При значному перепаді рівня сигналу на виході між сусідніми вимірами зняти проміжні точки з дискретністю в 1/3 октави (зміна частоти в раз).

Визначивши чутливість досліджуваного мікрофона на кожній з частот аналогічно п. 3, побудувати частотну характеристику у фізичних одиницях.

Розрахувавши для кожного значення частоти відносну чутливість у [дБ] по відношенню до чутливості по робочій осі на частоті 1000 Гц

.

(1.5)

побудувати залежність .

Однак, підсилювач ПЗЧ і акустична система АС мають свої амплітудно-частотні характеристики і при незмінній амплітуді сигналу на виході ГЗЧ зі зміною частоти звуковий тиск на вході мікрофона не є постійним, а буде змінюватись. Це внесе похибку в зняту експериментальну частотну характеристику досліджуваного мікрофона, так як при розрахунку чутливості по формулі (1.2) вважається р_зв = const.

Щоб скоригувати вказану похибку потрібно аналогічно зняти та побудувати частотну характеристику для еталонного мікрофона.

Порівнявши її з паспортною (додаток 1), визначити на кожній з частот систематичну похибку , внесену підсилювачем і акустичною системою. Скоригувати з урахуванням цієї похибки значення відносної чутливості досліджуваного мікрофона і побудувати скоректовану характеристику .

Визначити нерівномірність частотної характеристики досліджуваного мікрофона в [дБ] стосовно її рівня на частоті 1000 Гц у діапазонах частот: < 250 Гц; 250…4000Гц; > 4000 Гц.

Таблиця 1.1

f, Гц	UВП.д, мВ	Ед, мВ/Па	Е*д, дБ	UВП.ет, мВ	Еет, мВ/Па	Е*ет, дБ	Е*ет.п, дБ	ΔЕ*, дБ	Е*д.кор, дБ