اندازه‌گیری صدا با استفاده از میکروفون
اندازه‌گیری صدا با استفاده از میکروفون با توجه به نوع میکروفون مورد استفاده می‌تواند کاربردهای بسیار متنوعی داشته باشد. امواج صوتی بر اثر تغییرات فشار در هوا ایجاد شده و انتشار می‌یابند. میکروفون‌ها فشار ناشی از صدا را ابتدا به نوساناتی بر روی یک صفحه خازنی (دیافراگم) و سپس به ولتاژ الکتریکی تبدیل میکنند. در این مقاله تصمیم داریم اصول فشار صدا، نحوه کار میکروفن‌ها و روش انتخاب میکروفون مناسب را مرور کنیم. این مقاله اطلاعاتی را در رابطه با اصول فشار صدا، نحوه کار میکروفون‌ها و تأثیر مشخصات مختلف سنسور بر عملکرد میکروفون در اختیار شما قرار میدهد.
علاوه بر ویژگی‌های سنسور (میکروفون) برای جمع‌آوری داده‌های صوتی با کیفیت باید سخت‌افزار و نرم‌افزارهای مناسبی را انتخاب نمود. برای مثال برای آنکه داده‌های صوتی اندازه‌گیری شده با پاسخ گوش انسان قابلیت مقایسه داشته باشند باید از روشهای پردازش سیگنال مانند تجزیه و تحلیل اکتاو (octave analysis)، برروی سیگنال‌های فشار صدا خام استفاده کنید.
فشار صدا (Sound Pressure) چیست؟
هر تغییر فشار در هوا، آب یا هر محیط دیگری که توسط گوش انسان قابل دریافت باشد صدا نامیده میشود. پرده گوش انسان نوسانات فشار یا صدا را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کرده و به مغز ارسال می‌کند. میکروفون‌ها نیز به شکلی طراحی شده‌اند تا عملی مشابه را انجام دهند. کاربر می‌تواند سیگنال‌ها تولید شده توسط میکروفون را جمع‌آوری کرده و با استفاده از سخت‌افزار و نرم‌افزارهای مناسب به تجزیه و تحلیل آنها بپردازد.
تجزیه و تحلیل سیگنال‌ها این امکان را میدهد تا اطلاعاتی از ماهیت منبع تولیدکننده صدا بدست آوریم. برای مثال در آزمایشهای مربوط به نویز، ارتعاشات و صداهای ناهنجار خودرو، مهندسان علاقه‌مند به کاهش صداهای ناخوشایند برای سرنشینان در هنگام رانندگی هستند. این صداها می‌توانند شامل صداهایی بالاتر یا کمتر از فرکانس‌های قابل تشخیص برای گوش انسان باشند. چنین اندازه‌گیری‌هایی برای طراحانی که مجبورند برای دریافت استانداردهای مورد نیاز شدت نویز و صداهای ناخوشایند را کاهش دهند ضروری است.
چون انسان در معرض انواع صداها قراردارد و براحتی قادر به تشخیص صداهای مختلف است، اندازه‌گیری صدا از متداول‌ترین اندازه‌گیری‌ها است. به هنگام اندازه‌گیری صدا با دو پارامتر فشار صدا (Sound Pressure) و قدرت صدا (Sound Power) سروکار داریم. فشار صدا برحسب پاسکال (Pa) بیان میشود. بنابراین سطح فشار صدا (Sound Pressure Level) بیانگر فشار صدای دریافت شده توسط گیرنده است. علاوه بر شدت فشار صدا، قدرت (Power) صدای منبع صوتی اهمیت دارد. قدرت صدا برحسب وات (W) بیان میشود. سطح قدرت صدا (Sound Power Level) بیانگر کل انرژی صوتی تابش شده در تمامی جهات است. قدرت صدا مستقل از محیط از جمله اتاق، گیرنده‌ها یا فاصله از منبع است. قدرت صدا از ویژگی‌های منبع صدا است، در حالی که فشار صدا به محیط، سطح منعکس کننده، فاصله گیرنده، صداهای محیط و غیره بستگی دارد.
میکروفون‌ها چگونه کار میکنند؟
براساس مکانیزم عملیاتی داخلی میکروفون، انواع متفاوتی میکروفون وجود دارد. متداول‌ترین میکروفون‌های سازمانی عبارتند از:
1- میکروفن‌های کندانسور قطبی شده خارجی (externally polarized condenser microphones)
2- میکروفن‌های خازنی الکترو پیش قطبی (pre-polarized electret condenser microphones)
3- میکروفون های پیزوالکتریک (piezoelectric microphones)
شکل 1: میکروفون مبدلی است که امواج صوتی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.
میکروفون کندانسور
میکروفون‌های کندانسوری براساس طراحی خازنی (Capacitive Design) کار میکنند. این مکانیزم شامل یک دیافراگم فلزی کشیده شده است که یک صفحه از یک خازن را تشکیل میدهد. یک دیسک فلزی که نزدیک دیافراگم قرار گرفته نیز به عنوان صفحه پشتی خازن عمل می‌کند. زمانیکه که یک میدان صدا دیافراگم را تحریک بکند، فاصله بین دو صفحه با توجه به تغییر فشار صدا تغییر می‌کند. یک ولتاژ DC پایدار از طریق یک مقاومت بالا، به صفحات اعمال میشود تا بارهای الکتریکی روی صفحه را حفظ کند. تغییر در ظرفیت خازن که متناسب با تغییرات فشار ناشی از صدا است، یک خروجی AC ایجاد می‌کند که توسط سیستمهای داده برداری (مانند کارتهای A/D) دریافت می‌شوند.
شارژ مجدد خازن به دو طریق انجام میشود، یا از طریق یک ولتاژ قطبی خارجی یا از طریق خواص مواد بکار رفته در صفحات خازن مانند آنچه در میکروفون‌های پیش پلاریزه رخ میدهد. میکروفون‌های قطبی شده خارجی برای تامین توان خود به یک منبع تغذیه خارجی 200 ولت نیاز دارند. در حالیکه توان میکروفون‌های پیش قطبی توسط پیش تقویت کننده‌های IEPE یا (IEPE Pre-Amplifiers) که نیاز به منبع جریان ثابت دارند تأمین می‌شوند.
شکل 2: میکروفون‌های کندانسوری براساس طراحی خازنی (Capacitive Design) کار میکنند.
میکروفون پیزوالکتریک
میکروفون‌های پیزوالکتریک از یک ساختار بلوری (Crystal Structure) برای تولید ولتاژ استفاده میکنند. بسیاری از میکروفون‌های پیزوالکتریک از همان روشهای مطلوب‌سازی سیگنال (Signal Conditioning) که در شتاب‌سنج‌ها بکار می‌رود، استفاده میکنند. اگرچه این میکروفون‌ها سطح حساسیت کمی دارند و تغییرات کم صدا را نمی‌توانند اندازه‌گیری کنند، اما بادوام بوده و قادر به اندازه‌گیری دامنه فشارهای بالا هستند. از طرف دیگر در این نوع میکروفون‌ها چون سطح نویز کف (Floor Noise Level)، یعنی کمترین شدت صدایی که می‌توانند ثبت کنند، زیاد است. درنتیجه کاربرد این نوع از میکروفون‌ها برای اندازه‌گیری شوک‌های فشاری و امواج صوتی ناشی از انفجار مناسب است.
چگونه میکروفون مناسب برای اندازه‌گیری صدا انتخاب کنیم؟
شما باید باتوجه به زمینه‌کاری خود، میکروفون مورد نیاز را انتخاب نمایید. سه نوع میکروفون مورد استفاده برای اندازه‌گیری عبارتند از:
1- میدان آزاد (free field)
2- میدان فشار (pressure field)
3- رخداد تصادفی (random incidence)
این میکروفون‌ها در فرکانس‌های پایین به طور مشابه عمل میکنند، اما در فرکانس‌های بالاتر عملکردی متفاوت دارند.
در یک میدان صوتی آزاد امواج منتشر شده از منبع صوت به صورت کروی در امتداد شعاع کره حرکت کرده و متوقف نمی‌شوند. در میدان صوتی آزاد اموج بدون هیچ بازتاب، انحراف و شکست به صورت مستقیم از منبع صوتی دور می‌شوند. یک میکروفون میدان آزاد، فشار صدای یک منبع صوت که در مسیر مستقیم دیافراگم میکروفون قرار دارد را اندازه‌گیری می‌کند. میکروفون میدان آزاد، فشار صدا را همانطور که قبل از ورود به میکروفن است اندازه‌گیری می‌کند. این میکروفون‌ها در مناطق آزاد و فاقد سطوح سخت و بازتابنده، بهترین عملکرد را دارند. محفظه‌های بی‌پژواک یا فضاهای باز بزرگتر برای میکروفون‌های میدان آزاد ایده‌آل هستند.
شکل 3: میکروفون میدان آزاد
میکروفون میدان فشار، برای اندازه‌گیری فشار صدا در جلوی دیافراگم طراحی شده است. از موارد کاربردی میکروفون میدان فشار استفاده در آزمایشات اندازه‌گیری فشار وارده بر دیواره‌ها، بال‌های هواپیما یا سازه‌های داخلی مانند لوله‌ها، محفظه‌ها یا حفره‌ها است.
شکل 4: میکروفون میدان فشاری
در بسیاری از مواقع، صدا از یک منبع پخش نمی‌شود. میکروفن‌های رخداد تصادفی یا میدان انتشار به صداهایی که از همه زوایا به طور همزمان می‌رسند به طور یکنواخت پاسخ می‌دهند. هنگام اندازه‌گیری صدا در یک کلیسا یا منطقه‌ای با دیوارهای سخت و انعکاسی، از این نوع میکروفون استفاده میشود. برای اکثر کاربردها، استفاده از میکروفون‌های فشار و رخداد تصادفی دارای نتیجه‌ای مشابه هستند. بنابراین میکروفون‌های میدان فشاری، اغلب برای اندازه‌گیری‌های رخداد تصادفی نیز استفاده می‌شوند.
محدوده دینامیکی (Dynamic Range)
معیار اصلی برای توصیف صدا دامنه نوسانات فشار صدا (amplitude of the sound pressure fluctuations) است. کمترین دامنه یا مقداری که گوش سالم انسان می‌تواند تشخیص دهد 20 میکرو پاسکال (20 μPa) است. از آنجا که فشار در اندازه‌های پاسکال کم است و به راحتی قابل کنترل نیست، مقیاس دیگری که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد، مقیاس دسی‌بل (dB) است. این مقیاس لگاریتمی با واکنش گوش انسان به نوسانات فشار ناشی از صوت مطابقت بیشتری دارد.
تولیدکنندگان میکروفون حداکثر سطح دسی‌بل را براساس طراحی و مشخصات فیزیکی میکروفون تعیین میکنند. حداکثر سطح مشخص شده دسی‌بل (The specified maximum dB level) به نقطه‌ای گفته میشود که دیافراگم به صفحه پشتی بسیار نزدیک شود، یا اعوجاج هارمونیک کل (Total Harmonic Distortion) یا به اختصار (THD) به مقدار مشخصی (به طور معمول 3 درصد THD) برسد. حداکثر سطح دسی‌بل که یک میکروفون تولید می‌کند، به دو پارامتر: ولتاژ منبع تغذیه و حساسیت میکروفون بستگی دارد. برای اینکه بتوانید حداکثر ولتاژ خروجی تولید شده توسط یک میکروفون که از پیش تقویت‌کننده (Preamplifier) با مشخصات معلوم استفاده می‌کند را محاسبه کنید، ابتدا باید حداکثر فشاری را که میکروفون می‌تواند تحمل کند برحسب پاسکال محاسبه نمایید. می‌توانید میزان فشار را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنید:
در رابطه بالا فشار برحسب پاسکال (Pa) بوده و ولتاژ بیانگر مقدار ولتاژ پیک خروجی پیش تقویت‌کننده (Preamplifier) است.
پس از تعیین حداکثر سطح فشار میکروفون در اوج ولتاژ خود، می‌توانید با استفاده از مقیاس لگاریتمی زیر این مقدار را به دسی‌بل (dB) تبدیل کنید:
در رابطه بالا Po فشار مرجع و برابر با مقدار ثابت 0.00002 پاسکال است. این فرمول بیان کننده حداکثر مقدار قابل اندازه‌گیری توسط یک میکروفون را هنگامی که با یک تقویت کننده مشخص ترکیب میشود، را بیان می‌کند.
پاسخ فرکانسی (Frequency Response)
بعد از اینکه میکروفون مورد نظر برای اندازه‌گیری صدا را براساس مشخصاتی مانند نوع میدان فشار و محدوده دینامیکی قابل اندازه‌گیری مشخص کردید، باید برگه مشخصات میکروفون را برای آگاهی از بازه فرکانسی قابل اندازه‌گیری میکروفون، مطالعه نمایید. میکروفون‌های با قطر کوچکتر معمولاً از قابلیت سطح فرکانس فوقانی بالاتری برخوردار هستند. برعکس، میکروفون‌های با قطر بزرگتر حساس‌تر بوده و برای تشخیص فرکانس‌های پایین مناسب‌ترند. سازندگان میکروفون معمولا تلرانس 2dB± را در برگه مشخصات میکروفون ذکر میکنند. هنگام مقایسه میکروفون‌ها، اطمینان حاصل کنید که دامنه فرکانس و تحمل مربوط به آن محدوده فرکانس خاص را بررسی کرده‌اید. همچنین اگر برای آزمایش یا کاربردی که می‌خواهید میکروفون را در آنجا استفاده کنید محدودیتی برای فرکانس ندارید، می‌توانید میکروفونی با بازه فرکانسی بزرگتر انتخاب نمایید.
محدوده دمایی (Temperature Range)
با نزدیک شدن دما به حداکثر دمای قابل تحمل توسط میکروفون که مقدار آن در دفترچه مشخصات میکروفون ذکر شده، حساسیت میکروفن کاهش می‌یابد. شما باید نه تنها مراقب دمای کار میکروفون بلکه مراقب دمای محیطی که میکروفون در آن نگهداری میشود نیز باشید. بکارگیری و/یا نگهداری میکروفون در شرایط شدید می‌تواند بر آن تأثیر منفی بگذارد و نیازهای کالیبراسیون آن را افزایش دهد. در بسیاری از موارد، پیش تقویت‌کننده مورد استفاده می‌تواند عاملی محدود کننده برای بازه دمای کار باشد. اگرچه اکثر میکروفون‌ها می‌توانند بدون کاهش حساسیت تا دمای 120 درجه سانتیگراد کار کنند، اما پیش تقویت‌کننده‌های مورد نیاز این میکروفون‌ها معمولاً در محدوده دمای 60 تا 80 درجه سانتیگراد کار میکنند.
مطلوب‌سازی سیگنال برای میکروفون‌ها (Signal conditioning for microphones)
برای اندازه‌گیری صحیح صدا با میکروفون توسط دستگاه DAQ، هنگام تهیه میکروفون باید با لحاظ کردن موارد زیر اطمینان حاصل کنید که تمامی شرایط مطلوب‌سازی سیگنال را برآورده می‌کنید:
-
استفاده از آمپلی‌فایر مناسب برای افزایش رزولوشن اندازه‌گیری و افزایش نسبت سیگنال به نویز
-
در سنسورهای IEPE با استفاده از تحریک جریان (Current Excitation) توان مورد نیاز آمپلی‌فایرها را تامین کرد.
-
ولتاژ خروجی میکروفون افست گیری شود تا علاوه بر افزایش رزولوشن، از تمامی بازه قابل اندازه‌گیری کارتهای داده برداری استفاده شود.
-
استفاده از فیلتر مناسب برای حذف نویزهای خارجی با فرکانس بالا
-
استفاده از اتصال به زمین مناسب
