راهنمای انتخاب میکروفون برای تحقیقات آزمایشگاهی
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.
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.
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.
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.
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)
شکل 5: نمودار پاسخ فرکانسی میکروفون SM57
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.
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.
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.
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.
