در این مقاله با عنوان “راهنمای انتخاب میکروفون برای تحقیقات آزمایشگاهی” به آشنایی با انواع میکروفونها و پارامترهای موثر در انتخاب میکروفون برای تحقیقات صوتی (آکوستیک) میپردازیم. باید توجه داشت که میکروفونهای تحقیقاتی در مقایسه با میکروفون‌هایی که کاربردهای عمومی دارند بسیار متفاوت بوده و قیمت‌هایی بسیار گرانتر دارند. در این مقاله به معرفی پایه‌ای‌ترین اصول حاکم بر انواع میکروفونها خواهیم پرداخت. امید است در نتیجه مطالعه این مقاله محقق بتواند مناسب‌ترین میکروفون برای تحقیقات خود را انتخاب نماید.
انتخاب میکروفون
میکروفونهای تحقیقاتی تنوع بسیار زیادی دارند و هنگام انتخاب میکروفون برای تحقیقات آزمایشگاهی پارامترهای مختلفی را باید در نظر گرفت. این میکروفونها دامنه فرکانسی، بازه دینامیکی و زمینه‌های کاری بسیاری را پوشش می‌دهند، برای انتخاب یک میکروفون اندازه‌گیری مناسب باید مجموعه‌ای از تصمیم‌ها گرفته شود. این تصمیم‌ها وابسته به عوامل زیر هستند:
- پدیده صوتی که میخواهیم اندازه‌گیری کنیم چه مشخصاتی دارد. به این معنی که ماهیت پدیده تولید کننده صدا میدانی (Free field)، فشاری یا تصادفی است.
- محدوده دینامیکی پدیده مورد مطالعه چگونه است.
- بازه فرکانسی پدیده مورد مطالعه چگونه است.
- میکروفون از نوع polarized باشد یا prepolarized
در ادامه به توضیح کامل هریک از این موارد میپردازیم.
انواع میدان‌های صوتی
میکروفونهای اندازه‌گیری به سه دسته تقسیم بندی میشوند:
- Free Field یا میدانی
- Pressure یا فشاری
- Random یا تصادفی
تفاوت بین میکروفونها از گروهی به گروه دیگر در محدوده فرکانس‌های بالاتر است، جایی که اندازه میکروفون با طول موج صدای اندازه گیری شده قابل مقایسه است.
میکروفون Free Field
میکروفونهای میدان آزاد (Free Field Microphones) برای اندازه‌گیری امواج صوتی در محیط‌هایی که صدا به‌طور مستقیم بدون هیچ‌گونه مانع یا انعکاسی پخش میشود، طراحی شده‌اند. این میکروفونها معمولاً در فضاهای باز یا اتاق‌های بدون انعکاس صدا، مانند اتاق‌های بی‌پژواک، استفاده میشوند.
این میکروفونها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که صدا را به طور دقیق و بدون تغییر در فرکانس یا شدت دریافت کنند. از میکروفونهای میدان آزاد برای اندازه‌گیری سطح فشار صوتی و پاسخ فرکانسی صدا در شرایطی که امواج صوتی به‌طور طبیعی و بدون انعکاس در فضا حرکت می‌کنند، استفاده میشود.
همانطور که میدانیم صوت پدیده‌ای است که در اثر تغییرات فشار در یک محیط مادی انتشار پیدا می‌کند. بنابراین هنگام اندازه‌گیری یک پدیده صوتی باید به این نکته توجه داشت که حضور میکروفون در میدان صوتی بر روی انتشار امواج فشاری در میدان اثر می‌گذارد. میکروفونهای Free Field با هدف کاهش اثر حضور میکروفون در میدان اندازه‌گیری طراحی و ساخته میشوند. در نتیجه این طراحی نتایج اندازه‌گیری با استفاده از میکروفونهای میدان آزاد مشابه زمانیاست که هیچ میکروفونی در میدان صوتی حضور ندارد.
بخصوص در فرکانس‌های بالا حضور میکروفون در میدان صوتی بر روی نتایج اندازه‌گیری میتواند بسیار موثر باشد. به طور کلی فشار صدا در اطراف دیافراگم میکروفون به دلیل انعکاس (reflections) و انکسار (diffraction) افزایش می‌یابد.
در واقع زمانیکه امواج فشاری ناشی از صوت به دیافراگم میکروفون برخورد می‌کنند در محل برخورد امواج فشاری و دیافراگم مقداری افزایش فشار بوجود می‌آید. با توجه به اینکه نتایج خروجی میکروفون متناسب با تغییرات فشار سطح دیافراگم است مشخصه‌های فرکانسی یک میکروفون free field به گونه‌ای طراحی میشوند تا اثرات حاصل از افزایش فشار مربوط به حضور میکروفون را جبران کنند.
فیزیک حاکم بر میکروفون میدان آزاد
یک میکروفون Free Field باید همواره در راستای منبع صوت (زاویه 0 درجه) باشد. (شکل 1)
شکل 1- میکروفون Free Field باید در راستای میدان صوتی باشد.
زمانیکه میکروفون در راستای منبع صوت است حداکثر افزایش فشار ناشی از حضور میکروفون بر روی دیافراگم آن رخ می‌دهد. مقدار این افزایش فشار به طول موج صدا، قطر میکروفون و محیط اندازه‌گیری (سرعت صوت در آن محیط) بستگی دارد. (شکل 2)
شکل 2- افزایش فشار بر روی دیافراگم میکروفون Free Field
برای مثال در یک میکروفون با قطر 1/2 اینچ (نیم اینچ) حداکثر افزایش فشار ناشی از حضور میکروفون، در فرکانس 26.9 کیلو هرتز اتفاق می‌افتد. یعنی وقتیکه طول موج صوت با قطر میکروفون منطبق میشوند.
در رابطه بالا 342m/s سرعت صوت در هوا و 0.0127 میلیمتر معادل با 1/2 اینچ یعنی قطر میکروفون است. بنابراین یک میکروفون Free Field به گونه‌ای طراحی مبشود که در فرکانس تعیین شده اثر ناشی از حضور میکروفون بر روی میدان را تصحیح نماید. اگر پاسخ فشار میکروفون Free Filed مطابق شکل 3 باشد:
شکل 3- منحنی پاسخ فشار یک میکروفون Free Field
اگر منحنی شکل 2 که منحنی تصحیح میدان آزاد نیز نامیده میشود را با منحنی شکل 3 جمع کنیم ویژگی یک میکروفون جریان آزاد نمایش داده میشود. (شکل 4)
شکل 4- منحنی اثرگذاری بر روی میدان در یک میکروفون Free Field
میکروفونهای free field برای اکثر اندازه‌گیری‌های سطح فشار صدا مانند اندازه‌گیری سطح صدا (Sound Level)، اندازه‌گیری توان صدا (Sound Power)، و مطالعات تشعشع صدا (Sound Radiation) توصیه میشوند.
میکروفونهای میدان آزاد بسیار حساس و دقیق هستند و برای اندازه‌گیری‌های علمی و فنی بسیار مفید واقع میشوند. در اینجا دو مثال برای نحوه کار میکروفونهای میدان آزاد آورده شده است:
اندازه‌گیری صدای هواپیما در فضای باز
در هنگام تست صدای هواپیما، میکروفونهای میدان آزاد در فضای باز نصب میشوند تا صدای تولید شده توسط هواپیما را در هنگام پرواز و فرود اندازه‌گیری کنند. این میکروفونها فشار امواج صوتی را بدون هیچ‌گونه انعکاس یا مانعی اندازه‌گیری کرده و داده‌های دقیقی برای تحلیل سطح نویز هواپیما فراهم می‌کنند. این داده‌ها به طراحی بهتر هواپیما و کاهش نویز کمک می‌کنند.
بررسی ویژگی‌های آکوستیکی بلندگوها
در آزمایشگاه‌های صوتی، از میکروفونهای میدان آزاد برای اندازه‌گیری پاسخ فرکانسی بلندگوها استفاده میشود. بلندگوها در یک اتاق بدون انعکاس صدا نصب میشوند و میکروفونهای میدان آزاد در فاصله معینی از بلندگوها قرار می‌گیرند این میکروفونها صدایی که توسط بلندگوها ایجاد میشود را در شرایطی که امواج صوتی به‌طور مستقیم حرکت می‌کنند، اندازه‌گیری می‌کنند و به مهندسین صدا کمک می‌کنند تا کیفیت و دقت بلندگوها را تحلیل و بهبود دهند.
میکروفون میدان فشار
میکروفونهای میدان فشار (Pressure Field Microphones) برای اندازه‌گیری امواج صوتی در محیط‌های بسته‌ای که امواج صوتی به دیوارها و سطوح دیگر منعکس میشوند، طراحی شده‌اند. این میکروفونها فشار امواج صوتی را به‌طور دقیق اندازه‌گیری می‌کنند و برای اندازه‌گیری سطح فشار صوتی در فضاهای کوچک یا اتاق‌های دارای انعکاس صدا مناسب هستند.
این میکروفونها معمولاً در آزمایشگاه‌های صوتی، اتاق‌های تست صدا، و جاهایی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق فشار صوتی وجود دارد، استفاده میشوند. الگوی قطبی آنها همه‌جهتی است، یعنی صدا را به‌طور یکنواخت از تمامی جهات دریافت می‌کنند.
در زیر مثالهایی از کاربرد میکروفونهای میدان فشار بیان میشود:
تست آکوستیک خودرو
در تست آکوستیک خودرو، میکروفونهای میدان فشار در داخل کابین خودرو نصب میشوند تا میزان صدای داخلی را اندازه‌گیری کنند. هنگامی که صدا از موتورها، لاستیک‌ها و سیستم‌های دیگر منتشر میشود، این میکروفونها فشار امواج صوتی را در نقاط مختلف کابین اندازه‌گیری کرده و داده‌های دقیق برای تجزیه و تحلیل مهندسین فراهم می‌کنند. این داده‌ها به بهبود عایق صوتی و کاهش نویز داخل خودرو کمک می‌کنند.
اندازه‌گیری صدا در اتاق‌های تست صدا
در اتاق‌های تست صدا یا اتاق‌های جذب صوت (مثلاً در آزمایشگاه‌های صوتی)، از میکروفونهای میدان فشار برای اندازه‌گیری دقیق فشار صوتی استفاده میشود. این اتاق‌ها طراحی شده‌اند تا حد امکان انعکاس صدا را کاهش دهند. میکروفونهای میدان فشار در نقاط مختلف اتاق قرار می‌گیرند و فشار امواج صوتی را که از منابع صدا (مثلاً بلندگوها) منتشر میشود، اندازه‌گیری می‌کنند. این داده‌ها به تحلیل پاسخ فرکانسی و دیگر ویژگی‌های صوتی اتاق کمک می‌کند.
میکروفون تصادفی
میکروفونهای تصادفی (Random Incidence Microphones) برای اندازه‌گیری صدا در محیط‌هایی که امواج صوتی از جهات مختلف به میکروفون می‌رسند طراحی شده‌اند. این نوع میکروفونها برای اندازه‌گیری سطح فشار صوتی در محیط‌های پر نویز یا فضاهای باز که صدا از چند جهت به میکروفون می‌رسد استفاده میشوند.
این میکروفونها دارای الگوی قطبی همه‌جهتی هستند، به این معنی که صدا را به طور یکنواخت از تمامی جهات دریافت می‌کنند. میکروفونهای تصادفی معمولاً در محیط‌های صنعتی، مناطق شهری پر سروصدا و یا در فضای باز برای مانیتورینگ نویز محیطی استفاده میشوند.
دو مثال از موارد کاربرد میکروفونهای تصادفی عبارتند از:
مانیتورینگ نویز محیطی در مناطق شهری
در مناطق شهری پر سر و صدا، از میکروفونهای تصادفی برای اندازه‌گیری و تحلیل سطح نویز استفاده میشود. این میکروفونها در نقاط مختلف شهر نصب میشوند تا صداهای منابع مختلف مانند ترافیک، ساخت و ساز، و فعالیت‌های انسانی را اندازه‌گیری کنند. نتایج حاصل از این میکروفونها به تحلیل و مدیریت نویز شهری و بهبود کیفیت زندگی ساکنان کمک می‌کند.
اندازه‌گیری نویز صنعتی در محیط‌های کارخانه‌ای
در محیط‌های کارخانه‌ای که ماشین‌آلات و تجهیزات صنعتی صداهای مختلفی تولید می‌کنند، از میکروفونهای تصادفی برای اندازه‌گیری سطح نویز استفاده میشود. این میکروفونها در نقاط مختلف کارخانه نصب میشوند تا نویزهای حاصل از ماشین‌آلات را به‌طور دقیق ثبت کنند. داده‌های جمع‌آوری شده به مدیران کارخانه کمک می‌کند تا اقدامات لازم برای کاهش نویز و حفاظت از سلامت کارگران انجام دهند.
این میکروفونها برای محیط‌هایی که صدا از چندین جهت وارد میشود و اندازه‌گیری دقیق سطح نویز اهمیت دارد، بسیار کارآمد هستند.
پارامترهای کلیدی در انتخاب میکروفون
۱. پاسخ فرکانسی (Frequency Response)
پاسخ فرکانسی نشان‌دهندهٔ توانایی میکروفون در دریافت و تبدیل امواج صوتی در گستره‌ای از فرکانس‌ها به سیگنال‌های الکتریکی است. معمولاً پاسخ فرکانسی به صورت نموداری است که محور افقی آن فرکانس و محور عمودی سطح فشار صوتی است.(شکل 2) یک پاسخ فرکانسی صاف به معنای دریافت دقیق و بدون تغییر تمامی فرکانس‌ها است. این ویژگی به‌خصوص در اندازه‌گیری‌های علمی و مهندسی بسیار مهم است، زیرا دقت در دریافت تمامی فرکانس‌ها ضروری است.
شکل 5: نمودار پاسخ فرکانسی میکروفون SM57
تصویر بالا نشان‌دهنده نمودار پاسخ فرکانسی میکروفون SM57 در فرکانس‌های مختلف است. اگرچه دامنه پاسخ فرکانسی میکروفون SM57 نشان می‌دهد که میتواند صدا را تا حداقل فرکانس 40 هرتز دریافت کند، اما در 40 هرتز، حساسیت میکروفون 12 دسی‌بل کمتر از خط میانگین است. (که با 0 دسی‌بل در محور Y نشان داده شده است). همچنین، حساسیت میکروفون در فرکانس 15,000 هرتز (انتهای سمت راست نمودار) در محدوده بالایی حدود 8 دسی‌بل کاهش یافته است. در محدوده 40 هرتز تا 15 کیلوهرتز، کاهش کوچکی در پاسخ در حدود 400 هرتز و افزایش بزرگی بین 2 کیلوهرتز تا 12 کیلوهرتز مشاهده میشود. این مطلب نشان می‌دهد که دامنه پاسخ فرکانسی گاهی میتواند گمراه‌کننده باشد و بهتر است برای فهم دقیق پاسخ فرکانسی یک میکروفون به نمودار پاسخ فرکانسی و محدوده‌ای که میخواهیم اندازه‌گیری کنیم با دقت بیشتری توجه کرد.
۲. الگوی قطبی (Polar Pattern)
الگوی قطبی نشان می‌دهد که میکروفون صدا را از کدام جهات بهتر دریافت می‌کند. این الگو معمولاً به صورت دیاگرامی دایره‌ای شکل نمایش داده میشود:
- همه‌جهتی (Omnidirectional): صدا را از تمامی جهات به‌طور یکسان دریافت می‌کند.
- کاردیودی (Cardioid): صدا را بیشتر از جلو و کمتر از پشت دریافت می‌کند.
- شکل هشت (Figure-8): صدا را از جلو و پشت به یک اندازه دریافت می‌کند، ولی از کناره‌ها کمتر.
انتخاب میکروفون بر اساس الگوی قطبی مناسب به نوع کاربرد میکروفون بستگی دارد. برای اندازه‌گیری صدا در محیط‌هایی که صدا از چندین جهت می‌آید، الگوی همه‌جهتی معمولاً بهتر است.
۳. حساسیت (Sensitivity)
حساسیت میکروفون نشان‌دهندهٔ توانایی آن در تبدیل فشار صوتی به سیگنال الکتریکی است. معمولاً حساسیت به صورت ولتاژ خروجی بر حسب میلی‌ولت در ازای فشار صوتی یک پاسکال (mV/Pa) بیان میشود. میکروفونهای حساس‌تر، قادر به دریافت صداهای ضعیف‌تر هستند و سیگنال خروجی قوی‌تری تولید می‌کنند. این ویژگی در اندازه‌گیری‌هایی که دقت و حساسیت بالا مورد نیاز است، بسیار مهم است.
۴. حداکثر سطح فشار صوتی (Maximum Sound Pressure Level)
حداکثر سطح فشار صوتی (SPL) بالاترین سطح صدا است که میکروفون میتواند بدون ایجاد اختلال و تغییر در سیگنال، اندازه‌گیری کند. این مقدار معمولاً به دسی‌بل (dB) بیان میشود. میکروفونی با SPL بالا میتواند صداهای بسیار بلند را بدون اشباع یا تخریب سیگنال اندازه‌گیری کند. این ویژگی برای اندازه‌گیری صداهای بلند در محیط‌های پر نویز یا در آزمایشگاه‌هایی که تست‌های صوتی با شدت بالا انجام میشود، بسیار مهم است.
کارت داده برداری
کارتهای داده برداری صوت و ارتعاشات برند NI، برای آزمون‌ها و تحقیقات مختلف مهم هستند. این کارت‌ها می‌توانند داده‌های صوتی و ارتعاشی را با دقت بالا جمع‌آوری و تحلیل کنند.
کارت USB-4431 از برند NI، یکی از محصولات معروف این برند است که برای جمع‌آوری داده‌های صوتی و ارتعاشی استفاده میشود. این کارت میتواند به‌طور مستقیم با از طریق درگاه ارتباطی USB ارتباط برقرار کند و داده‌های جمع‌آوری شده را به سیستم‌های محاسبه‌ی مرکزی و نرم‌افزارهای تحلیلی منتقل کند.
این کارت‌ها در زمینه‌های مختلفی از جمله تحقیقات علمی، آزمون‌های صنعتی، و تحقیقات زیستی کاربرد دارند. از طرفی، این کارت‌ها به دلیل دقت بالا و قابلیت‌های تحلیلی آنها، می‌توانند به افزایش دقت و کیفیت تحلیل‌ها کمک کنند.
