Âm thanh đề cập đến sự dao động áp suất lan truyền qua một môi trường (không khí, chất lỏng hoặc các môi trường khác mà tai người có thể cảm nhận được). Dao động áp suất/âm thanh được màng nhĩ chuyển thành tín hiệu điện tử và truyền đến não. Não tiếp nhận những tín hiệu này và xác định các dạng âm thanh khác nhau như âm nhạc, lời nói và tiếng ồn dựa trên đặc điểm của chúng.
Micrô hoạt động tương tự như màng nhĩ. Sau đó, bạn có thể thu thập thông tin về đặc điểm đường truyền âm thanh từ nguồn âm thanh đến micrô bằng cách ghi lại và phân tích các tín hiệu này. Ví dụ, trong thử nghiệm tiếng ồn, độ rung và độ nhám âm thanh, các kỹ sư thường muốn giảm những âm thanh không mong muốn, chẳng hạn như những âm thanh ảnh hưởng đến sự thoải mái của hành khách khi lái xe. Tiếng ồn có thể là âm thanh ở trên hoặc dưới dải tần số mà tai người có thể nghe được hoặc biên độ của âm thanh ở tần số cộng hưởng. Những phép đo này rất quan trọng đối với các kỹ sư thiết kế, những người cần giảm tiếng ồn để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải hoặc phân tích hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
Nguyên tắc hoạt động của micrô Khi thiết kế micrô, có nhiều tùy chọn khác nhau nhưng micrô tụ điện phân cực bên ngoài, micrô tụ điện phân cực trước và micrô áp điện là những micrô đo lường được sử dụng phổ biến nhất.
1. Micro điện dung
Micro điện dung là loại micro được thiết kế dựa trên tụ điện. Micrô điện dung sử dụng màng chắn kim loại làm chất nền của tụ điện. Một tấm kim loại liền kề với màng ngăn đóng vai trò là chất nền khác. Khi trường âm thanh kích thích màng loa, điện dung giữa hai chất nền sẽ thay đổi theo mức áp suất âm thanh. Cung cấp điện áp DC ổn định cho các đế thông qua điện trở cao sẽ giữ lại điện tích trên các đế. Sự thay đổi điện dung tạo ra đầu ra AC tỷ lệ thuận với mức áp suất âm thanh. Micrô phân cực trước{6}}có thể sạc tụ điện bằng điện áp phân cực bên ngoài hoặc các đặc tính vốn có của vật liệu. Micrô tụ điện phân cực bên ngoài yêu cầu điện áp nguồn 200V. Micrô phân cực trước được cấp nguồn bằng bộ tiền khuếch đại IEPE yêu cầu nguồn dòng không đổi.
2. Micro áp điện
Micro áp điện sử dụng cấu trúc tinh thể để tạo ra điện áp bảng nối đa năng. Nhiều micrô áp điện sử dụng cơ chế điều hòa tín hiệu tương tự như gia tốc kế và một số cũng sử dụng điều hòa tín hiệu IEPE để cung cấp điện áp phân cực. Mặc dù loại cảm biến này có độ nhạy thấp nhưng nó bền và có thể đo mức áp suất âm thanh có biên độ cao. Tuy nhiên, độ ồn xung quanh của loại micrô này thường cao. Thiết kế này phù hợp cho các ứng dụng đo áp suất sốc và áp suất nổ.
Cách chọn micro phù hợp
Trường phản hồi
Khi chọn micrô, phải xem xét loại trường mà nó hoạt động. Micrô được phân thành ba loại: trường-tự do, trường-áp suất và trường-khuếch tán. Mặc dù các micrô này hoạt động tương tự ở tần số thấp nhưng hoạt động của chúng khác biệt đáng kể ở tần số cao.
-Micrô trường tự do đo áp suất âm thanh phát ra trực tiếp từ một nguồn âm thanh duy nhất tại màng micrô. Những cảm biến này đo áp suất âm thanh trước khi micrô đi vào trường âm thanh. Những micrô này phù hợp nhất cho các khu vực mở không có bề mặt cứng hoặc bề mặt phản chiếu. Buồng cách âm hoặc các khu vực thoáng hơn là nơi lý tưởng cho micrô trường-tự do.
Micrô trường áp suất-đo áp suất âm thanh ở phía trước màng ngăn. Biên độ và pha của nó giống nhau tại bất kỳ điểm nào trong trường và bước sóng của nó tương đối ngắn. Chúng thường được tìm thấy trong không gian kín hoặc hốc. Ví dụ về các ứng dụng cảm biến trường-áp suất bao gồm kiểm tra áp suất trên tường, kiểm tra áp suất cánh và kiểm tra áp suất của các cấu trúc bên trong như ống, chất keo và khoang.
Trong một số trường hợp, âm thanh không bắt nguồn từ một nguồn duy nhất. Micrô trường{1}}khuếch tán cung cấp phản hồi đồng đều cho âm thanh đến đồng thời từ các hướng khác nhau. Những loại micro này phù hợp để đo âm thanh trong nhà thờ hoặc những môi trường khác có tường cứng, phản chiếu. Tuy nhiên, đối với hầu hết các micrô, phản ứng của trường áp suất và trường khuếch tán là tương tự nhau, do đó, micrô trường áp suất cũng thường được sử dụng để đo trường khuếch tán.
Phạm vi động
Tiêu chuẩn cơ bản để mô tả âm thanh dựa trên biên độ dao động áp suất âm thanh. Biên độ áp suất âm thanh thấp nhất mà tai người có thể cảm nhận được là 20 phần triệu (20 μPa). Việc sử dụng Pascal để biểu thị áp suất âm thanh thường quá nhỏ và khó xử lý nên decibel (dB) thường được sử dụng làm đơn vị đo. Tỷ lệ logarit này mô tả chính xác hơn phản ứng của tai người đối với các rung động áp suất âm thanh.
Các nhà sản xuất chỉ định giá trị decibel tối đa dựa trên thiết kế và đặc tính vật lý của micrô. Giá trị decibel tối đa đề cập đến mức áp suất âm thanh mà tại đó màng ngăn tiếp cận tấm ốp hoặc khi tổng độ méo hài (THD) đạt đến một giá trị xác định (thường là 3% THD). Trong môi trường ứng dụng nhất định, đầu ra decibel tối đa của micrô phụ thuộc vào điện áp được cung cấp và độ nhạy của micrô. Trước khi tính giá trị đầu ra decibel tối đa của micrô bằng bộ tiền khuếch đại cụ thể và điện áp cực đại tương ứng của nó, trước tiên chúng ta cần tính mức áp suất âm thanh tối đa mà micrô có thể chịu được. Giá trị mức áp suất âm thanh (SPL) có thể được tính bằng công thức sau:
P=Pa, trong đó điện áp là điện áp cực đại của bộ tiền khuếch đại.
Sau khi xác định được SPL tối đa ở điện áp cực đại của micrô, SPL có thể được chuyển đổi thành decibel bằng công thức sau:
Trong đó P là áp suất được biểu thị bằng Pascal và P0 là SPL tham chiếu (hằng số,=0.00002 Pa).
Công thức này mang lại giá trị SPL tối đa có thể đo được khi micrô được sử dụng với bộ tiền khuếch đại cụ thể. Để xác định mức tiếng ồn tối thiểu cần thiết hoặc SPL, hãy tham khảo tiêu chuẩn đánh giá tiếng ồn nhiệt của mô-đun micrô. Thông số kỹ thuật CTN cung cấp giá trị SPL tối thiểu có thể phát hiện được, cao hơn nhiễu điện vốn có của micrô. Hình 6 cho thấy mức độ tiếng ồn điển hình khi sử dụng micrô với bộ tiền khuếch đại ở các tần số khác nhau.
Khi chọn micrô, điều cần thiết là phải đảm bảo rằng giá trị áp suất đo được nằm giữa giá trị CTN của micrô và giá trị decibel định mức tối đa của micrô. Nói chung, đường kính micrô càng nhỏ thì giới hạn trên của giá trị decibel càng cao. Micrô có đường kính lớn hơn thường có giá trị CTN thấp hơn và do đó thường được sử dụng để đo decibel ở phạm vi-thấp.
Đáp ứng tần số
Sau khi xác định loại phản hồi trường micrô và dải động cần thiết, hãy tham khảo thông số kỹ thuật của micrô để xác định dải tần có thể sử dụng. Micro có đường kính nhỏ hơn thường có giới hạn tần số trên cao hơn. Ngược lại, micrô có đường kính lớn hơn có độ nhạy cao hơn và phù hợp hơn để phát hiện tần số-thấp.
Các nhà sản xuất thường đặt dung sai tần số là ±2dB. Khi so sánh các micrô khác nhau, điều cần thiết là phải kiểm tra dải tần của chúng và dung sai cho các dải tần cụ thể. Nếu yêu cầu ứng dụng không cao và dung sai decibel tăng nằm trong giới hạn chấp nhận được thì dải tần sử dụng được của micrô có thể được cải thiện. Bạn có thể xác nhận với nhà sản xuất hoặc tham khảo bảng hiệu chỉnh micrô để xác định dải tần có thể sử dụng thực tế tương ứng với dung sai decibel cụ thể.
Loại phân cực
Micrô phân cực bên ngoài truyền thống và micrô phân cực trước{0}}mới hơn phù hợp với hầu hết các ứng dụng nhưng có sự khác biệt giữa hai loại này. Micrô phân cực bên ngoài phù hợp hơn với phạm vi nhiệt độ từ 120 độ đến 150 độ, vì vậy, chúng tôi khuyên dùng cho môi trường có nhiệt độ-cao. Micrô phân cực trước{6}}phù hợp hơn với môi trường ẩm ướt. Sự thay đổi nhiệt độ đột ngột có thể gây ra đoản mạch trong cấu trúc tụ điện bên trong của micrô phân cực bên ngoài.
Vì micrô phân cực bên ngoài yêu cầu điện áp 200V cụ thể nên chỉ có thể sử dụng cáp 7-chân và đầu nối LEMO trong cấu hình của chúng. Các micrô phân cực trước mới hơn, được cấp nguồn bằng nguồn dòng không đổi 2-20mA, dễ sử dụng hơn và do đó phổ biến hơn. Với cấu hình này, cáp tiêu chuẩn, cáp đồng trục và đầu nối BNC hoặc 10-32 có thể được sử dụng để cung cấp dòng điện và tín hiệu cho thiết bị đọc.
Phạm vi nhiệt độ
Độ nhạy của micrô giảm khi nhiệt độ môi trường đạt đến nhiệt độ tối đa được chỉ định. Chúng ta cần xem xét cả nhiệt độ hoạt động và bảo quản của micro. Việc vận hành hoặc bảo quản trong điều kiện khắc nghiệt có thể tác động tiêu cực đến micrô và làm tăng yêu cầu hiệu chuẩn. Trong hầu hết các trường hợp, bộ tiền khuếch đại của hệ thống là yếu tố giới hạn phạm vi nhiệt độ hoạt động. Mặc dù nhiệt độ cao 120 độ không ảnh hưởng đến độ nhạy của hầu hết các micrô nhưng bộ tiền khuếch đại cần thiết bị giới hạn hoạt động trong môi trường từ 60 độ đến 80 độ.
Điều hòa tín hiệu micrô
Khi chuẩn bị đo micrô bằng thiết bị DAQ, hãy xem xét các điểm sau để đảm bảo đáp ứng tất cả các yêu cầu điều hòa tín hiệu của bạn:
Khuếch đại để cải thiện độ chính xác của phép đo và tỷ lệ nhiễu-trên{1}}tín hiệu
Kích thích dòng điện để cấp nguồn cho bộ tiền khuếch đại của cảm biến IEPE
Khớp nối AC để loại bỏ sai lệch DC, cải thiện độ phân giải và tận dụng tối đa toàn bộ phạm vi của thiết bị đầu vào
Lọc để loại bỏ nhiễu tần số cao-bên ngoài
Nối đất thích hợp để loại bỏ tiếng ồn do dòng điện tạo ra giữa các điện thế đất khác nhau
Dải động để đo toàn bộ dải biên độ của micrô
