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MEMS 마이크로폰 기반 저비용 소음 모니터링 단말기(NMT) 개발

이 기사에서는 IEC 61672-1의 클래스 1을 충족하는 MEMS 마이크로폰이 장착된 NMT의 예를 보여주고 논의합니다.

지난 10년 동안 MEMS 마이크로폰(초소형 전자 기계 시스템)의 급속한 발전으로 IEC 61672-1 사양을 충족하는 소음 측정 기기에 사용할 수 있게 되었습니다. 15년 전에는 사용 가능한 MEMS 마이크의 동적 범위가 60dB에 불과했지만, 최신 MEMS 마이크는 100dB의 동적 범위를 제공합니다. 이러한 넓은 동적 범위와 향상된 반복성 및 장기적인 안정성을 갖춘 MEMS 마이크로폰 덕분에 소음 모니터링을 위한 저비용 소음 모니터링 단말기를 개발할 수 있었습니다. 특히 이러한 NMT 중 하나(Svantek SV 307A)는 선형 측정 범위가 30dBA Leq÷ 128dBA 피크로 도시 소음 모니터링 애플리케이션에 최적인 것으로 입증되었습니다.

저렴한 MEMS 마이크로폰 비용 덕분에 동적 시스템 점검을 위한 다중 마이크 배열과 같은 기능을 갖춘 저비용 소음 모니터링 단말기를 위한 혁신적인 설계를 개발할 수 있습니다.

Mems 마이크로폰을 사용한 소음 모니터링 단말기

소음 모니터링 단말기에 대한 구체적인 표준화가 없기 때문에 소음 모니터링 단말기 제작에 사용되는 두 가지 표준은 기기의 소음 수준 측정 기능에 대한 IEC 61672-1과 소음 모니터링 애플리케이션에 대한 ISO 1996-2입니다.

이 기사에서 언급한 선형 작동 범위, 주파수 응답, 지향성 특성 및 온도 작동 범위는 IEC 61672-1에서 정의하는 필수 NMT 특성입니다. 장기 안정성, 환경적 견고성, 전원 공급 및 통신 등 측정 애플리케이션과 관련된 더 많은 요구 사항이 있습니다. ISO 1996-2에는 GPS, 주파수 분석, 기상 조건(바람, 비, 온도, 습도) 모니터링과 같은 추가 기준이 있지만 이 문서에서는 다루지 않습니다.

noise monitoring terminal

NMT란 무엇인가요?

“소음 모니터링 단말기(NMT)”는 자동화된 연속 소음 모니터링에 사용되는 기기로서, A-가중 음압 레벨과 그 스펙트럼 및 풍속, 풍향, 비, 습도, 대기 안정성과 같은 모든 관련 기상 수치를 모니터링합니다(ISO 1996-2:2017 참조).

저비용 소음 모니터링 단말기 개발

ISO 및 IEC 사양을 충족하는 소음 모니터링 단자는 다소 고가의 장치입니다. 콘덴서 마이크는 정전기 액추에이터와 함께 교정 검사를 위한 추가 요구 사항을 충족해야 한다는 점도 높은 가격의 원인 중 하나입니다. 마이크로폰을 선택할 때 고려해야 할 또 다른 사항은 시간이 지나도 얼마나 잘 견딜 수 있는지입니다. 장기적인 안정성과 환경적 내구성은 가격대가 높은 마이크로폰을 선택할 때 중요한 요소입니다.

MEMS 마이크로폰의 등장으로 평균적으로 5유로 미만이라는 가격 장벽이 무너졌습니다. NMT 비용 절감과 더불어 수리 서비스 가격도 하락했습니다.

다목적 설계, 무선 주파수 간섭(RFI) 및 전자기 간섭(EMI)에 대한 뛰어난 내성, 저렴한 비용, 환경 복원력으로 인해 MEMS 마이크의 사용 범위가 확대되었습니다. 다양한 환경 조건에 대한 이러한 복원력은 영하의 혹독한 겨울과 덥고 습한 여름의 장기적인 음향 모니터링 애플리케이션에 특히 중요합니다.

MEMS 마이크로폰이란?

MEMS(초소형 전기 기계 시스템) 마이크는 크게 세 가지 부품으로 구성됩니다: 센서(마이크), ASIC, 패키지입니다. 센서와 ASIC은 기판과 뚜껑으로 둘러싸인 캐비티에 함께 패키징되어 있습니다.

사운드 입구(음향학 포트)는 기판 또는 뚜껑에 존재하며, 대부분의 경우 MEMS 캐비티에 직접 위치합니다.

그림 1에 표시된 센서는 일반적인 극성이 50V인 소형화된 편극 콘덴서 마이크로폰입니다 . 백플레이트라고 하는 한 표면은 고정되어 있고 전극으로 덮여 있습니다. 다른 표면인 다이어프램은 움직일 수 있으며 많은 구멍, 즉 음향학적 구멍이 있습니다.

백플레이트의 음향학적 구멍을 통과하는 음파는 진동판을 움직이게 하여 두 해당 표면 사이에 커패시턴스 변화를 일으킵니다. 이는 애플리케이션별 집적 회로(ASIC)에 의해 전기 신호로 변환됩니다.

MEMS 마이크로폰에는 아날로그와 디지털의 두 가지 유형이 있습니다. 아날로그 타입의 ASIC에는 임피던스 컨버터(프리앰프)와 분극 전압을 생성하기 위한 충전 펌프가 포함되어 있습니다. 디지털 마이크의 ASIC에는 PDM 출력을 지원하는 시그마 델타 A/D 컨버터가 추가로 포함되어 있습니다. PDM 형식은 시중에 나와 있는 대부분의 코덱에 대한 표준 입력입니다(펄스 밀도 변조 PDM 형식은 1비트 높은 샘플링 레이트 데이터 스트림입니다).

이 문서에서는 아날로그 출력이 있는 MEMS 마이크로폰을 사용하는 NMT에 대해 설명합니다.

IEC 61672-1에 따른 MEMS를 사용한 NMT의 전기 테스트

IEC 61672-1은 전기 테스트를 위해 마이크로폰의 전기적 동등성을 제공하도록 요구합니다. MEMS 마이크로폰의 경우 까다롭지만 가능한 작업입니다.

example of mems microphone construction

그림 1. MEMS 마이크로폰 구조의 예.

그림 2. 아날로그 MEMS 마이크로폰의 변환기(트랜스듀서) 및 ASIC

Typical analog MEMS microphone block diagram

그림 3. 일반적인 아날로그 MEMS 마이크로폰 블록 다이어그램

연구: 두 Nmts의 주요 사양 비교: 멤스 기반 및 콘덴서 마이크 기반

이 섹션에서는 MEMS 기반 NTM의 특징과 콘덴서 마이크 기반 NMT의 특징을 비교합니다. 두 NMT 모두 2022년 독일기술표준원(PTB)으로부터 IEC 61672-1을 준수하는 것으로 승인받았습니다. 두 NMT의 성능을 비교했습니다:

  • 공칭 감도가 50mV/Pa인 MK 255S 사전 편광 자유 음장 ½” 콘덴서 마이크로폰 기반Svantek SV 200A
  • 공칭 감도가 36mV/Pa인 ST 30A MEMS 마이크로폰(½” 하우징)을 기반으로 하는Svantek SV 307A

그림 4에서 볼 수 있듯이 SV 200A NMT는 하우징 측면에 장착된 4개의 MEMS 마이크로폰을 사용하여 소음 지향성을 감지합니다.

Svantek SV 307A (left) and Svantek SV 200A (right)

그림 4. 스반텍 SV 307A(왼쪽) 및 스반텍 SV 200A(오른쪽)

IEC 61672-1에 따른 선형 작동 범위

일반적인 실외 소음 측정은 30dBA ~ 125dBA 범위 내에서 수행되며, 이를 위해서는 100dB의 동적 범위(여기서는 A-가중 노이즈 플로어와 허용 오차 내 최대 SPL의 차이로 정의됨)가 필요합니다.

첫 번째 유형의 MEMS 마이크(2008년)는 동적 범위가 약 60dB로 제한적이었습니다. 2세대 MEMS 마이크로폰(2018년)은 100dB의 동적 범위를 제공하여 환경 소음 측정에 사용할 수 있게 되었습니다.

모든 레벨 범위와 명시된 주파수에서 NMT로 측정한 음 레벨의 편차는 IEC 61672-1의 허용 범위 내에 있어야 합니다. 비교를 통해 알 수 있습니다:

  • NMT SV 200A의 선형 작동 범위는 다음과 같습니다: 25dBA ÷ 133dBA 피크
  • NMT SV 307A의 선형 작동 범위는 30dBA Leq ÷ 128dBA 피크입니다.

환경 소음 측정 사양은 두 경우 모두 선형 작동 범위에서 충족됩니다.

IEC 61672-1에 따른 주파수 응답

IEC 61672-1을 준수하는 소음 모니터링 단말기는 음향학 자유 음장 또는 임의 방향의 한 주요 방향에서 마이크에 입사되는 소리에 대해 지정된 주파수 응답을 가져야 합니다.

두 터미널 모두 아래 그림과 같이 주파수 특성을 개선하고 IEC 61672-1 표준을 충족하는 보정 필터 덕분에 주파수 응답 기준을 준수합니다.

Frequency response of SV 200A NMT with a condenser microphone.

그림 5. 콘덴서 마이크로폰을 사용한 SV 200A NMT의 주파수 응답.

Frequency response of SV 307A NMT with MEMS microphone

그림 6. MEMS 마이크로폰을 사용한 SV 307A NMT의 주파수 응답.

IEC 61672-1에 따른 지향성 응답

NMT 범위의 모든 주파수에 대해 방향성 응답 설계 목표는 모든 음 발생 방향의 소리에 대해 동일한 응답을 제공하는 것입니다. IEC 61672-1은 설계 목표에서 벗어나는 편차에 대한 허용 한계를 제공합니다. 클래스 1 소음계의 경우, 사운드 신호의 주파수는 최대 12.5 kHz, 클래스 2 소음계의 경우 최대 8 kHz로 지정되어 있습니다. 아래 그림은 IEC 61672-1 사양을 충족하는 콘덴서 마이크로폰과 MEMS 마이크로폰을 사용한 NMT의 방향성 응답을 비교한 것입니다.

Directional response of SV 307A (left side) and SV 200A (right)

그림 7. SV 307A(왼쪽)와 SV 200A(오른쪽)의 방향성 응답

온도 작동 범위

IEC 61672-1은 실외 소음에 대해 두 가지 허용 오차 수준을 정의합니다: 클래스 1과 클래스 2. 이 범위는 -10°C ~ +50°C의 온도 범위와 0°C ~ +40°C의 온도 범위를 규정합니다. 이는 각각 주변 소음 측정과 환경 소음 모니터링에 있어 중요한 요소입니다.

실제 측정에서 NMT의 온도 범위는 최소한 다음과 같아야 합니다.
(-10°C)~+50°C여야 하는데, 이는 외부에서 측정할 때 온도 변동이 크기 때문입니다. 실제로는 -20°C ~ +60°C의 온도 작동 범위를 제공해야 합니다.

온도 작동 범위

  • MEMS 기반 SV 307A: 작동 범위는 (-20°C)~+60°C로 지정되어 있습니다.
  • 콘덴서 마이크로폰 기반 SV 200A: (-30°C ~ 60°C에서 지정됩니다.

장기적인 안정성

소음 모니터링은 무인 측정 유형이므로 장기적인 안정성은 NMT를 고려할 때 중요한 고려 사항입니다. 장기 소음 모니터링의 경우, ISO 1996-2 표준은 NMT 감도 검증을 위한 ISO 20906/Amd1:2013 음향학적 점검을 참조합니다. ISO는 시스템이 제대로 작동하는지 또는 잠재적인 결함이 있는지 알려주는 자동화된 시스템 점검을 설치하도록 요구합니다.

SV 200A는 정전기 액추에이터를 기반으로 하는 고전적인 시스템 검사를 사용합니다. 그러나 실외 측정에서 정전기 액추에이터를 사용하는 것은 주로 고전압과 환경 조건이 필요하기 때문에 번거롭고 비용이 많이 듭니다.

MEMS 마이크는 하우징 때문에 정전기 액추에이터로 테스트할 수 없지만, 크기가 작기 때문에 ½” 마이크 하우징 내부에 멀티 마이크 어레이를 설계할 수 있습니다.

이러한 어레이를 사용하면 측정된 실제 음향 신호를 기반으로 동적 시스템 점검을 지속적으로 수행할 수 있습니다. 동적 시스템 점검의 개념은 마이크로폰 감도의 연속적인 비교를 사용합니다. 동적 시스템 점검 외에도 음향 신호 소스를 오프라인 마이크 테스트에 사용할 수 있습니다(예: 100dB 레벨).

전원 및 통신

소음 모니터링에 있어 가장 중요한 요소 중 하나는 전력과 통신입니다. 무인 측정 유형에서는 데이터를 원격 서버로 전송해야 합니다. 가장 널리 사용되는 통신 방식은 GSM입니다. SV 307A와 SV 200A 모델 모두 4G 모뎀을 사용합니다.

많은 경우 가로등은 NMT의 전원으로 사용됩니다. 이러한 상황에서는 낮 시간 동안 전기가 공급되지 않을 가능성이 있습니다. 따라서 NMT는 최소 24시간의 배터리 수명을 가져야 합니다. 전력 소비가 매우 낮은 MEMS를 사용하면 이러한 요구 사항을 더 쉽고 저렴하게 충족할 수 있습니다.

마이크 내충격성

기계적 충격으로 인한 기존 콘덴서 마이크의 손상은 소음 측정에서 가장 많은 비용이 발생하는 원인 중 하나입니다. MEMS 마이크는 구조상 매우 견고하며 최대 10000g(100,000m/s2)의 충격을 견딜 수 있습니다.

시스템 통합 기능

MEMS 마이크로폰을 기반으로 한 소음 모니터링은 저렴한 비용으로 다른 환경 및 도시 모니터링 시스템과 매우 쉽게 통합할 수 있습니다.

결론

  • 기사에서 살펴본 바와 같이, MEMS 기반 NMT 마이크와 기존 콘덴서 마이크의 성능은 상당히 비슷합니다. 결과적으로 NMT에 MEMS 마이크로폰을 사용하면 선형 작동 범위, 주파수 응답, 방향성 응답, 온도 작동 범위와 같은 파라미터가 IEC 61672-1을 준수합니다. 소음 모니터링 터미널 요구 사항 초안을 작성할 때 다른 요소, 환경적 견고성, 전력 소비 및 데이터 교환도 고려할 수 있습니다.
  • 설계가 저렴하고 성능이 매우 우수한 MEMS 마이크로폰 기반 NMT 시스템은 스마트 시티의 멀티포인트 소음 모니터링에 적합한 선택입니다.

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