STUDIOVÁ TECHNIKA II 1 verze: 2022-11-10 Laboratorní úloha č. 2 Měření charakteristik mikrofonu Cíl úlohy Cílem úlohy je a seznámení se substituční metodou měření kmitočtových charakteristik mikrofonů. Teoretický úvod Jednou z nejdůležitějších charakteristik pro praktické použití mikrofonu je citlivost a její kmitočtová závislost. Citlivost mikrofonu je poměr absolutní hodnoty výstupního napětí k absolutní hodnotě akustického tlaku, který na mikrofon působí p U = [V/Pa], (1) a je závislá na typu pole, ve kterém je mikrofon umístěn. Proto se udává citlivost ve volném, difúzním a tlakovém poli a u mikrofonů pro snímání řeči a nástrojů také citlivost pro blízké zdroje zvuku, protože se u nich projevuje proximity efekt. Kalibrace mikrofonu Proces, při kterém zjišťujeme citlivost mikrofonu zvukoměru, se nazývá kalibrace nebo justování. Kalibrace zvukoměru je metrologický úkon, při kterém se za specifikovaných podmínek stanoví vztah mezi akustickým tlakem vytvářeným etalonem a hodnotou indikovanou zvukoměrem s přidruženými nejistotami měření. Justování je příprava měřidla k měření, tj. zjištění aktuální citlivosti mikrofonu, na kterou mají vliv atmosférické podmínky. Při kalibraci i justování je na vstup mikrofonu přiveden zvukový signál známé hladiny akustického tlaku a zvukoměr podle ní a změřené efektivní hodnoty napětí na výstupu mikrofonu při kalibraci spočítá citlivost mikrofonu podle rovnice (1). Citlivost měřicích mikrofonů se pohybuje v několika desítkách mV/Pa. Ke kalibraci je potřeba zdroj akustického tlaku, jehož přesnou velikost lze z fyzikálních veličin vypočítat. Takovým zdrojem je např. tónový kalibrátor, který používá piezoelektrický reproduktor vyzařující do měřicí komůrky, do které je zasunutý kalibrovaný mikrofon. Generuje signál s kmitočtem 1000 Hz a hladinou akustického tlaku 94 dB(SPL) tj. 1 Pa. Kmitočtová charakteristika mikrofonu Výstupní napětí mikrofonu změřené při konstantním akustickém tlaku zvukového vlnění dopadajícího na mikrofon je kmitočtově závislé, proto je závislá i jeho citlivost. V katalogových listech mikrofonů je uváděna buďto kmitočtová závislost výstupního napětí ve Voltech s hodnotou vstupního akustického tlaku jako parametrem nebo kmitočtová závislost citlivosti mikrofonu v dB, obvykle vztažená k hodnotě citlivosti na kmitočtu 1 kHz ( ) ( ) ( )kHz1 log20dBrel    f f = [dB], (2) kde (f) je absolutní citlivost mikrofonu na kmitočtu f a (1 kHz) je citlivost na kmitočtu 1 kHz. Hodnota relativní citlivosti na 1 kHz tedy bude odpovídat 0 dB. 2 verze: 2022-11-10 Kmitočtová závislost citlivosti měřicích elektrostatických mikrofonů se zjišťuje pomocí elektrostatického principu s využitím reciprocity měniče. U všech ostatních druhů mikrofonů narazíme na problém, jak zajistit konstantní hodnotu akustického tlaku celého uvažovaného pásma kmitočtů, když kmitočtová charakteristika reproduktoru, kterým akustický tlak vytváříme, je při buzení konstantním napětím značně nerovnoměrná. Tento problém lze řešit měřením hladiny akustického tlaku harmonického nebo úzkopásmového šumového signálu generovaného reproduktorem. K měřenému mikrofonu se ve stejné vzdálenosti a symetricky k akustické ose budicího reproduktoru umístí referenční elektrostatický mikrofon, jehož kmitočtovou charakteristiku máme změřenou pomocí elektrostatického principu. Pro každý budicí signál pak známe výstupní napětí měřeného mikrofonu a výstupní napětí referenčního mikrofonu, které z jeho známé citlivosti snadno přepočítáme na hladinu akustického tlaku. Jiným způsobem je měření kmitočtové charakteristiky substituční metodou. Ve zvoleném místě akustického pole nastaví pro každý budicí signál pomocí měření referenčním mikrofonem určitý akustický tlak. Do stejného místa se po vyjmutí měřícího mikrofonu umístí měřený mikrofon a stanoví se výstupní napětí. Z podílu tohoto výstupního napětí a akustického tlaku, který toto napětí vybudil, se určí citlivost mikrofonu pro daný kmitočet. Měření se musí opakovat pro každý kmitočet. Při umístění referenčního mikrofonu do měřicího pole je nutné, aby jeho rozměry byly dostatečně malé, aby neovlivnily akustické pole. Při měření je nutno také dodržet správnou vzdálenost měřeného mikrofonu od zdroje akustického signálu, která závisí na druhu měřeného akustického přijímače. U tlakových mikrofonů není tato vzdálenost rozhodující a lze ji volit libovolně. Při měření gradientního mikrofonu, na který dopadá zvukové vlnění ve směru jeho maximální citlivosti, tj. zepředu, má byt tato vzdálenost rovna nebo větší než 1/6 vlnové délky budicího signálu. Při dané vzdálenosti mikrofonu od zdroje akustického signálu l lze v takovém případě kmitočtovou charakteristiku měřit od kmitočtu l cc f 6 00 ==  , (3) kde c0 je rychlost šíření zvuku a  je vlnová délka budicího signálu. Ekvivalentní hladina šumu Ekvivalentní hladina šumu LEN je taková, která by vytvořila stejné výstupní napětí, když na mikrofon nepůsobí žádné vnější pole a výstupní napětí je způsobeno pouze přirozeným šumem mikrofonu. Lze vypočítat z výstupního napětí mikrofonu Un, když na něj nepůsobí žádné vnější pole, a citlivosti mikrofonu  podle rovnice 0 n EN log20 p U L  = , (4) kde p0 = 2.10–5 . Nejčastěji se měří při použití váhového filtru A a výsledek ne pak udáván v jednotkách dB(A). Zadání 1) Pomocí měřicího mikrofonu MiniSPL změřte korekční charakteristiku budicího reproduktoru v místě měření. 2) Pomocí substituční metody zjistěte kmitočtovou odezvu dynamického mikrofonu. Ze změřené kmitočtové odezvy určete citlivost mikrofonu. 3) Změřte ekvivalentní hladinu šumu mikrofonu. 3 verze: 2022-11-10 Postup Pro měření kmitočtové charakteristiky mikrofonu Sennheiser e815S použijete bezodrazový box, v jehož dolní části je instalován budicí reproduktor, a substituční metodu. Měření tedy bude probíhat ve dvou kolech: 1. Pomocí referenčního mikrofonu MiniSPL zjistíte vstupní napětí budícího reproduktoru, které je nutné pro dosažení hladiny akustického tlaku 80 dB(SPL) v bodě měření na každém měřeném kmitočtu, tzv. korekční charakteristiku (první bod zadání). 2. Použijete změřená vstupní napětí reproduktoru pro buzení zvukového pole a změříte kmitočtovou závislost výstupního napětí mikrofonu Sennheiser e815S (druhý bod zadání). ad 1) Měření korekční charakteristiky budicího reproduktoru Nejprve proveďte kalibraci analyzátoru AL1 s připojeným mikrofonem MiniSPL pomocí tónového kalibrátoru. Při kalibraci postupujte takto: 1. Na analyzátoru AL1 aktivujte funkci Calibrate (tlačítko ESC, poté Enter, šipkami vybrat „CALIBRTE“  a stisknout  ), zkontrolujte, zda je hodnota Ref. Signal  nastavena na 94,0 dB(SPL). 2. Nasaďte tónový kalibrátor na mikrofon MiniSPL, zapněte jej a aktivujte položku Calibrate  na AL1 (pomocí šipky dolů najet na nápis „Calibrate“ vpravo dole a stisknout ). Změřenou citlivost zapište do vašeho vypracování v Excelu. Pokud se na displeji AL1 objeví jiná zpráva než „Calibration finished“, nebo pokud se bude výsledná hodnota citlivosti zobrazená po skončení kalibrace na displeji výrazně lišit od hodnoty 20 mV/Pa, požádejte o pomoc vyučujícího. Umístěte měřicí mikrofon MiniSPL do výškově stavitelného držáku v bezodrazovém boxu. S mikrofonem manipulujte opatrně! Připojte k mikrofonu kabel a nastavte výšku držáku tak, aby byl mikrofon vzdálený od budicího reproduktoru cca 46 cm. K této vzdálenosti přičtěte 2 cm (vzdálenost referenční roviny reproduktoru od krycí mřížky) a zapište ji do vypracování. Pomocí rovnice (3) spočítejte kmitočet, od kterého budete měřit, a zapište si jej do vypracování. Měřicí pracoviště je zapojeno podle obr. 1. Jako měřicí signál pro budicí reproduktor slouží generátor Agilent s výkonovým zesilovačem Alesis. Jako analyzátor bude použit zvukoměr AL-1 s referenčním mikrofonem MiniSPL. Obr. 1: Zapojení měřicího pracoviště pro měření korekční křivky budicího reproduktoru. generátor box analyzátor výkonový zesilovač měřicí mikrofon (MiniSPL) ochrana reproduktoru     4 verze: 2022-11-10 Na analyzátoru AL1 aktivujte funkci SPL/RTA (tlačítko ESC, poté Enter , šipkami vybrat „SPL/RTA“ a stisknout ). Nastavte parametry „123“ , „FLAT“ , Timer: off , TWGT: „Slow“ , hlavní měřenou veličinu dBSPL  a rozsah +40 ~ 120 dB . V prvním listu vašeho vypracování v Excelu je pro zápis naměřených hodnot připravena tabulka se 1/6-oktávovými kmitočty od 20 Hz do 16 kHz (signály s vyšším kmitočtem již nedokáže budicí reproduktor reprodukovat s dostatečnou hladinou akustického tlaku). Vy budete ale měřit od kmitočtu v tabulce, který je nejbližší vyšší než vámi spočítaný minimální kmitočet měření. Pokud vám tento kmitočet vyšel nižší než 120 Hz, zkontrolujte výpočet. Postupujte přesně podle následujícího návodu, abyste nepoškodili budicí reproduktor: 1. Nastavte zesílení výkonového zesilovače v obou kanálech na minimum a teprve potom jej zapněte a počkejte, až zhasnou červené kontrolky „Clip/Protect“. 2. Zapněte ochranu reproduktoru (černý box Speaker protection). 3. Zapněte generátor Agilent, VYPNĚTE jeho výstup (tlačítko Output NESMÍ svítit) a zvolte harmonický průběh (tlačítko Sine musí svítit). 4. Nastavte kmitočet generátoru (první levé tlačítko pod displejem označené Freq) na kmitočet uvedený v tabulce ve vypracování, který je nejbližší vyšší než vámi spočítaný minimální kmitočet měření, ale ne na méně než 120 Hz. 5. Nastavte amplitudu generátoru (druhé levé tlačítko pod displejem označené Ampl) na hodnotu 10 mVRMS. 6. Nastavte zesílení kanálu 1 zesilovače na polovinu rozsahu. 7. Aktivujte výstup generátoru Agilent (tlačítko Output musí svítit). Nyní nastavujte kmitočet generátoru podle kmitočtů v tabulce od vámi spočítaného minimálního kmitočtu měření až po kmitočet 16 kHz. Pro každý kmitočet nastavte výstupní napětí generátoru na takovou hodnotu, aby akustický tlak změřený analyzátorem AL1 byl 80 dB(SPL) s přesností ±0,1 dB(SPL) (na nízkých kmitočtech může být přesnost nižší). Hodnoty výstupního napětí generátoru pro každý kmitočet si poznačte do tabulky na listu „měřený mikrofon“ vašeho vypracování do sloupečku „budicí napětí zesilovače“. Hodnoty by neměly přesáhnout zhruba 350 mV (značně ale záleží na nastavení zesílení na zesilovači). Pokud se této hodnotě přiblížíte na kmitočtech nad 12 kHz, tak už měření ukončete. Po skončení měření vypněte generátor tlačítkem Output. Zamyslete se nad změřenou závislostí a uvědomte si, že na ni nemá vliv jen kmitočtová charakteristika reproduktoru v ozvučnici, ale i prostor, do kterého reproduktor vyzařuje, a pozice měrného mikrofonu. ad 2) Měření kmitočtové odezvy mikrofonu Nyní vyjměte měrný mikrofon MiniSPL z držáku v boxu a nahraďte jej měřeným mikrofonem Sennheiser. Ten umístěte do vzdálenosti o 1 cm níže než mikrofon MiniSPL, tj. cca 45 cm od budicího reproduktoru, protože vložka mikrofonu je asi 1 cm pod krytem mikrofonu. Bezodrazový box zavřete. Na analyzátoru AL1 aktivujte menu RMS/THD (tlačítko ESC, poté Enter , šipkami vybrat „RMS/THD“ a stisknout ). Pokud není nastaveno měření v dBV, najeďte kurzorem na       5 verze: 2022-11-10 jednotku za měřenou hodnotou, stiskněte , šipkami nahoru/dolu vyberte „dBV“ a opět stiskněte . Zkontrolujte také, jestli je nastavený váhový filtr „FLAT“. Nyní na generátoru opět nastavujte kmitočty z tabulky a nastavujte jim odpovídající výstupní napětí generátoru, které jste si poznamenali v předcházejícím bodu. Nezapomeňte generátor opět zapnout. Na analyzátoru AL1 odečítejte výstupní napětí mikrofonu v dBV a zapisujte jej do sloupečku „kmitočtová char. mikrofonu pro 80 dB(SPL)“ tabulky ve vašem vypracování. Abyste mohli změřenou kmitočtovou charakteristiku porovnat s výrobcem uváděnou charakteristikou v katalogovém listu, musíte ji vyjádřit pro buzení akustickým tlakem 1 Pa. Vy jste při měření použili hodnotu hladiny akustického tlaku 80 dB(SPL), proto musíte nejprve vaše změřené výsledky přepočítat pro buzení akustickým tlakem 1 Pa. Musíte tedy vědět, jaká hladina odpovídá akustickému tlaku 1 Pa a pak je výpočet jednoduchý: citlivost mikrofonu je nezávislá na akustickém tlaku, takže pokud je akustický tlak působící na mikrofon o n dB vyšší, bude i o n dB vyšší jeho výstupní napětí. Nezapomeňte také do výpočtu zahrnout korekci citlivosti referenčního mikrofonu MiniSPL, protože skutečný akustický tlak, který působil na měřený mikrofon Sennheiser, nebyl na všech kmitočtech roven 80 dB(SPL), protože mikrofon MiniSPL, kterým jste hladinu 80 dB(SPL) nastavovali, je na vysokých kmitočtech méně citlivý. Výsledky zapište do sloupečku „kmitočtová char. mikrofonu pro 1 Pa“. Z hodnoty odezvy na 1 kHz určete pomocí rovnice (1) citlivost mikrofonu v mV/Pa a zapište si ji do tabulky s parametry mikrofonu na listu „měřený mikrofon“. ad 3) Měření ekvivalentní hladiny šumu Vypněte výkonový zesilovač a generátor a na analyzátoru AL1 v režimu RMS/THD aktivujte váhový filtr „A-WTD“. Odečtěte hodnotu výstupního napětí mikrofonu a pomocí rovnice (4) vypočítejte ekvivalentní hladinu šumu mikrofonu v dB(A) a zapište si ji do vypracování. Výsledek měření je pouze orientační, protože do bezodrazového boxu částečně pronikají hluky zvenčí, zejména na nízkých kmitočtech, a pro přesné měření je také nutné mít voltmetr s vlastním šumem alespoň o řád (20 dB) nižším, než je předpokládaná hodnota vlastního šumu měřeného mikrofonu.