Mikrofon to przetwornik, który przekształca fale dźwiękowe na sygnały elektryczne. Wyróżniamy mikrofony pomiarowe do precyzyjnej rejestracji i pomiaru poziomu dźwięku oraz mikrofony akustyczne do ogólnych zastosowań audio. Mikrofony akustyczne służą do rejestracji lub transmisji dźwięków np. na scenie, w studio nagraniowym lub podczas rozmów telefonicznych i internetowych, zaś mikrofony pomiarowe są wykorzystywane głównie do badań akustycznych.
Mikrofon to przetwornik, który przekształca fale dźwiękowe w sygnały elektryczne. Podstawowa zasada działania mikrofonu polega na ruchu membrany w odpowiedzi na ciśnienie akustyczne. Ruch ten jest przekształcany w sygnał elektryczny z wykorzystaniem różnych zjawisk fizycznych, w zależności od typu mikrofonu. Otrzymany sygnał jest elektrycznym odpowiednikiem fali dźwiękowej, który można przetwarzać za pomocą urządzeń audio lub pomiarowych. Mikrofony można podzielić na dwie główne grupy w zależności od ich zastosowań: mikrofony pomiarowe i mikrofony ogólnego przeznaczenia (akustyczne).
Mikrofony pomiarowe:
Mikrofony do zastosowań ogólnych (np. nagrywania akustycznego):
Mikrofon pomiarowy to przetwornik służący do przetwarzania fal akustycznych na napięcie elektryczne. W akustyce mikrofony pomiarowe najczęściej spotykamy w komplecie z miernikami poziomu dźwięku. Mikrofony są projektowane zgodnie z normami, takimi jak IEC 61094, co zapewnia jednolitość pomiarów na całym świecie, a także jest gwarantem jakości pomiarów. Każdy mikrofon po wyprodukowaniu jest mierzony, wyznaczana jest jego skuteczność oraz charakterystyka częstotliwościowa, które stanowią istotne odniesienie przez cały okres eksploatacji mikrofonu. Mikrofony pomiarowe są cenione za wysoką skuteczność, stabilność w czasie i niezawodność, co czyni je niezbędnym narzędziem w dziedzinach takich jak badania akustyczne, ocena hałasu środowiskowego oraz testowanie sprzętu audio. Mikrofony pomiarowe są używane przez inżynierów dźwięku, akustyków i badaczy, którzy polegają na nich w celu pomiarów dźwięku w różnych dziedzinach.
Mikrofon do zastosowań ogólnych tzw. akustyczny to przetwornik rejestracji fal dźwiękowych na potrzeby nagrywania, transmisji czy komunikacji. W przeciwieństwie do mikrofonów pomiarowych, mikrofony akustyczne są zoptymalizowane do ogólnego użytku, kładąc nacisk na takie cechy jak charakterystyka częstotliwościowa (odpowiednia dla danego rodzaju nagrań) czy odporność na uszkodzenia.
Mikrofony te przekształcają energię akustyczną w sygnały elektryczne, które mogą być wzmacniane, nagrywane lub przesyłane do odtwarzania, analizy lub komunikacji. Mikrofony do zastosowań ogólnych można podzielić ze względu na wiele różnych zastosowań czy typów, takie jak dynamiczne, pojemnościowe, wstęgowe oraz MEMS, a każdy z nich jest odpowiedni do specyficznych środowisk i wymagań audio.
Mikrofony ciśnieniowe są zaprojektowane tak, aby miały jednolitą odpowiedź kierunkową na rzeczywiste ciśnienie akustyczne obecne na membranie mikrofonu. Budowa mikrofonu jest więc przystosowana do pomiaru, gdy fale akustyczne docierają ze wszystkich stron. Mierzą one bezpośrednio poziom ciśnienia akustycznego, bez kompensacji obecności mikrofonu w polu dźwiękowym. Mikrofony ciśnieniowe są głównie stosowane w zamkniętych przestrzeniach, takich jak pomiary w złączach akustycznych i kalibracje audiometrów. Używa się ich również do pomiarów przy ścianach lub powierzchniach, gdzie mikrofon może być zamontowany równo z otaczającą powierzchnią.
Mikrofony pola swobodnego są zaprojektowane do pomiaru dźwięku w otwartej przestrzeni, bez odbić lub przeszkód. Uwzględniają one sposób, w jaki fale dźwiękowe oddziałują z korpusem mikrofonu, zapewniając odpowiedź częstotliwościową, która kompensuje te efekty. Mikrofony pola swobodnego są powszechnie stosowane do pomiarów na zewnątrz lub w środowiskach, gdzie wymagana jest dokładna reprezentacja źródła dźwięku. Są one szeroko wykorzystywane w miernikach poziomu dźwięku, z ustawieniami dostosowanymi do kompensacji pola swobodnego lub rozproszonego, w zależności od tego, czy pomiar jest prowadzony wewnątrz, czy na zewnątrz.
Mikrofony pola dyfuzyjnego (random incidence) są zaprojektowane do pomiaru w polach dźwiękowych, w których fale dźwiękowe docierają z wielu kierunków, na przykład w komorze pogłosowej lub w otoczeniu o wysokim współczynniku odbicia. Wpływ fal dźwiękowych ze wszystkich kierunków zależy od ich rozkładu. Dla mikrofonów pomiarowych zdefiniowano standardowy rozkład oparty na rozważaniach statystycznych, co zaowocowało standaryzowanym mikrofonem dla pola dyfuzyjnego. Mikrofony te są zalecane do pomiarów poziomu ciśnienia akustycznego zgodnie ze standardami ANSI.
Mikrofony infradźwiękowe są zaprojektowane do rejestracji dźwięków o niskich częstotliwościach, zazwyczaj poniżej 20 Hz. Są one stosowane do monitorowania hałasu generowanego przez niskoobrotowe maszyny, takie jak wiatraki, oraz do monitorowania przemysłowego, gdzie występują infradźwięki. Mikrofony te zazwyczaj mają większe rozmiary, około 1 cala, aby skutecznie wykrywać dźwięki o niskiej częstotliwości.
Mikrofony ultradźwiękowe są przeznaczone do wykrywania dźwięków o wysokich częstotliwościach, zazwyczaj powyżej 20 kHz. Mikrofony te są stosowane w takich aplikacjach diagnostyka medyczna, a także w przemyśle, gdzie występuje narażenie na ultradźwięki – np. przy spawarkach, zgrzewarkach i myjkach ultradźwiękowych. Zwykle są mniejsze, około 1/4 cala, aby precyzyjnie rejestrować dźwięki o wysokiej częstotliwości. Zrozumienie różnych typów mikrofonów i ich specyficznych zastosowań pomaga w doborze odpowiedniego mikrofonu do precyzyjnych pomiarów poziomu dźwięku lub wysokiej jakości nagrań audio.
Mikrofon MIRE, czyli Microphone In Real Ear, to specjalistyczny mikrofon zaprojektowany do pomiaru poziomu ciśnienia akustycznego wewnątrz kanału słuchowego (w uchu). Celem pomiarów MIRE jest ocena hałasu pochodzącego od źródeł dźwięku znajdujących się w bliskiej odległości od ucha, w szczególności słuchawek. Przykładowe zastosowania obejmują pomiary w hełmach pilotów oraz w centrach telefonicznych. Drugim ważnym zastosowaniem jest ocena skuteczności ochronników słuchu, poprzez pomiar hałasu pod słuchawkami ochronnymi.
Mikrofon wszechpogodowy to zewnętrzny zestaw ze zintegrowanym mikrofonem, zaprojektowany do pracy na otwartym powietrzu w różnych warunkach pogodowych. Systemy te są wyposażone w obudowy ochronne, które zabezpieczają mikrofon przed wpływem czynników środowiskowych, takich jak wiatr, deszcz, pył i zmienne temperatury. Dodatkowo mikrofony te często posiadają filtry i piankowe osłony przeciwwietrzne, które minimalizują wpływ warunków atmosferycznych na jakość pomiarów dźwięku.
Główne cechy mikrofonu obejmują:
Zgodnie z normą IEC 61094, mikrofony są klasyfikowane jako mikrofony wzorcowe laboratoryjne lub mikrofony pomiarowe stosowane w codziennych pomiarach. Norma ta używa specyficznych skrótów do oznaczania typów i rozmiarów mikrofonów:
Klasyfikacje mikrofonów:
Nie istnieje zatem klasyfikacja mikrofonów na klasę 1 lub klasę 2; te klasyfikacje odnoszą się do mierników poziomu dźwięku zgodnie z normą IEC 61672-1. Same mikrofony są klasyfikowane zgodnie z normą IEC 61094 jako mikrofony wzorcowe laboratoryjne (LS) lub mikrofony pomiarowe (WS).
Na charakterystykę częstotliwościową mikrofonu mają wpływ konstrukcja, zasada działania, zakłócenia, umiejscowienie, starzenie się i warunki środowiskowe. Konstrukcja obejmuje projekt i użyte materiały, które wpływają na wydajność. Zakłócenia obejmują wibracje elektromagnetyczne i mechaniczne, które mogą powodować hałas. Otoczenie mikrofonu wpływa na charakterystykę kierunkową i charakterystykę częstotliwościową. Starzenie się wpływa na takie elementy, jak membrana, zmieniając czułość i pasmo przenoszenia. Warunki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność i ciśnienie atmosferyczne, mogą również wpływać na wydajność, co wymaga ostrożnego zarządzania w celu utrzymania dokładności.
Czułość (ang. sensitivity), czyli skuteczność mikrofonu to określa jak skutecznie mikrofon przetwarza ciśnienie akustyczne na sygnał elektryczny. Zwykle wyraża się ją w miliwoltach na paskal (mV/Pa), wskazując napięcie wyjściowe wytwarzane przez mikrofon dla danego poziomu ciśnienia akustycznego. Na przykład, jeśli mikrofon ma czułość 50 mV/Pa, oznacza to, że na każdy paskal ciśnienia akustycznego (w przybliżeniu poziom ciśnienia akustycznego wynoszący około 94 dB) mikrofon wytworzy sygnał wyjściowy o napięciu 50 miliwoltów. Wartość ta pomaga w określeniu, jak dobrze mikrofon będzie działał w różnych środowiskach dźwiękowych i ile wzmocnienia może być wymagane w danym zastosowaniu.
Zakres dynamiczny mikrofonu odnosi się do zakresu pomiędzy najniższym i najwyższym mierzalnym poziomem ciśnienia akustycznego, jaki może on prawidłowo uchwycić. Szeroki zakres dynamiki jest kluczowy, ponieważ pozwala mikrofonowi obsłużyć szerokie spektrum poziomów dźwięku, od bardzo cichych do bardzo głośnych, bez zniekształceń i utraty szczegółów.
Zmiany warunków środowiskowych mogą wpływać na skuteczność mikrofonów pomiarowych. Wysokiej jakości mikrofony są zaprojektowane tak, aby minimalizować te efekty, zapewniając stabilność parametrów w szerokim zakresie zmian. Mikrofony posiadają własne współczynniki wpływu ciśnienia statycznego, temperatury czy powietrza, są one najczęściej podane w dokumentacji technicznej. Mikrofony prepolaryzowane są bardziej wrażliwe na zmienne warunki ze względu na obecność stałego ładunku elektrycznego w materiale elektretowym. Wpływ warunków środowiskowych dla mikrofonu uwzględnia się podczas wzorcowań mikrofonów klasy LS i WS.
Przykładowo, zmniejszenie ciśnienia atmosferycznego (na większych wysokościach) obniża gęstość powietrza, co wpływa na propagację fal dźwiękowych i może zmniejszać czułość mikrofonu. Natomiast wzrost ciśnienia (np. w głębokich kopalniach) zwiększa gęstość powietrza, co poprawia propagację dźwięku i może prowadzić do niewielkiego wzrostu czułości mikrofonu. Uwzględnienie tych zmian jest istotne dla zachowania dokładności pomiarów.
Korzystanie z mikrofonu pomiarowego wymaga kilku kroków w celu uzyskania dokładnych pomiarów dźwięku:
Przedwzmacniacz mikrofonowy to elektroniczne urządzenie stosowane na ścieżce sygnału między mikrofonem a urządzeniami nagrywającymi lub mierzącymi. Jego funkcja to konwersja / dopasowanie wysokiej impedancji wewnętrznej kapsuły mikrofonu pojemnościowego do wymagań dalszych elementów systemu. Oznacza to, że jego zadaniem jest dopasowanie sygnałów z mikrofonu do poziomu, który może być efektywnie przetwarzany i analizowany. Przedwzmacniacz odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu integralności sygnału oraz zapewnieniu odpowiedniego wzmocnienia do różnorodnych zadań związanych z nagrywaniem i pomiarami dźwięku.
Kabel mikrofonowy to istotny element łańcucha sygnałowego w pomiarach i audio, służący do połączenia przedwzmacniacza mikrofonowego z miernikiem poziomu dźwięku lub innymi urządzeniami pomiarowymi. Kable te są zaprojektowane tak, aby minimalizować zakłócenia i szumy, co zapewnia precyzyjną i klarowną transmisję sygnału z przedwzmacniacza do miernika. Wysokiej jakości kable mikrofonowe mają ekranowanie i zbalansowane połączenia, co redukuje wpływ zakłóceń zewnętrznych oraz szumów elektromagnetycznych, zapewniając dokładne pomiary dźwięku.
Jeśli mikrofon z wstępną polaryzacją (elektretowy) otrzyma napięcie zewnętrznej polaryzacji, np. 200 V, nie powinien ulec uszkodzeniu, ale jego czułość (skuteczność) może się zmienić. Mikrofony te są zaprojektowane do pracy bez zewnętrznego napięcia, ponieważ mają wbudowany materiał elektretowy z trwałym ładunkiem. Zastosowanie zewnętrznego napięcia polaryzacyjnego może wpłynąć na wydajność mikrofonu, co prowadzi do niedokładnych pomiarów dźwięku.
Kalibracja fabryczna jest kluczowa dla mikrofonów pomiarowych, ponieważ określa ona jego skuteczność i charakterystykę częstotliwościową tuż po produkcji. Dzięki temu możliwe jest w każdym momencie odwołanie się do tych wartości i kontrola stabilności długoterminowej mikrofonu. W trakcie kalibracji fabrycznej każdy mikrofon jest dokładnie testowany zgodnie z precyzyjnymi standardami, aby ustalić jego dokładną czułość, odpowiedź częstotliwościową i inne krytyczne parametry. Proces ten polega na porównaniu wydajności mikrofonu z określonym wzorcem, co pozwala na wprowadzenie ewentualnych korekt, aby spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące dokładności.
94 dB jest używane do kalibracji mikrofonów, ponieważ odpowiada poziomowi ciśnienia akustycznego wynoszącemu 1 Pascal, co stanowi punkt odniesienia. Ten standardowy poziom odniesienia zapewnia spójną i łatwą do powtórzenia bazę do pomiaru i porównywania czułości mikrofonów. Kalibracja mikrofonów przy poziomie 94 dB zapewnia standaryzację ich czułości, umożliwiając dokładne i niezawodne działanie w różnych zastosowaniach. Dzięki wykorzystaniu tego poziomu odniesienia, producenci i użytkownicy mogą być pewni, że mikrofony generują spójne sygnały wyjściowe przy znanym ciśnieniu akustycznym, co ułatwia precyzyjne pomiary dźwięku oraz zapewnia jednolitość w testach i kalibracji sprzętu audio. W praktyce do kalibracji stosowane są również kalibratory o poziomie 114 dB, szczególnie gdy tło akustyczne jest wysokie.
Okresowe wzorcowanie mierników poziomu dźwięku z mikrofonami, zgodnie z normami takimi jak IEC 61672-3, to działanie prewencyjne, mające na celu zapewnienie, że urządzenia te pozostają dokładne, niezawodne i zgodne z obowiązującymi standardami przez cały okres ich eksploatacji. Proces ten jest niezbędny do utrzymania ważności i precyzji pomiarów dźwięku w różnych profesjonalnych i regulacyjnych kontekstach. Regularne wzorcowanie pomaga zweryfikować wydajność urządzenia, wykryć wszelkie odchylenia oraz zapewnić spójność pomiarów, co ma kluczowe znaczenie dla wiarygodności danych zbieranych w monitoringu hałasu środowiskowego, ocenach zdrowia zawodowego i innych krytycznych zastosowaniach.
Pobudnik (aktuator) elektrostatyczny to urządzenie stosowane do kalibracji mikrofonów pojemnościowych. Działa poprzez zastosowanie siły elektrostatycznej na membranę mikrofonu, symulując efekt fal dźwiękowych. Metoda ta umożliwia precyzyjną kontrolę i pomiar reakcji mikrofonu na referencyjny sygnał pobudzenia, co pozwala na dokładną kalibrację. Pobudnik elektrostatyczny wykorzystuje sztywną, przewodzącą siatkę umieszczoną w pobliżu membrany, a napięcie zmienne jest przyłożone między siatką a membraną mikrofonu. Tworzy to pole elektrostatyczne, które porusza membraną w sposób zbliżony do działania ciśnienia akustycznego. Zmieniając częstotliwość i amplitudę przyłożonego napięcia, można zmierzyć odpowiedź częstotliwościową i czułość mikrofonu.
Mikrofony, zwłaszcza te używane do precyzyjnych pomiarów, są wzorcowane przez laboratoria akredytowane zgodnie z normami ISO 17025. Laboratoria takie, jak np. Svantek, specjalizują się w kalibracji i testowaniu, zapewniając dokładność i niezawodność przyrządów pomiarowych. Akredytacja ISO 17025 oznacza, że laboratorium spełnia międzynarodowe standardy kompetencji technicznych i zarządzania jakością, co gwarantuje, że wyniki kalibracji są dokładne i mają odniesienie do uznanych standardów.
Nasz profesjonalny konsultant pomoże Ci w ustaleniu wszelkich szczegółów, takich jak prawidłowy dobór sprzętu, wymagane akcesoria oraz opcje dodatkowe.
