AKADEMIA wtorek godz. 10¹⁵

TECHNICZNO - HUMANISTYCZNA Grupa II

BIELSKO - BIAŁA

OCHRONA ŚRODOWISKA

ROK 2 SEMESTR 4

ĆWICZENIE NR: 5

Temat: Wyznaczanie charakterystyki częstotliwościowej mikrofonu.

Monika Molińska

Anita Mieszczak

Wstęp teoretyczny:

Mikrofon jest przetwornikiem zamieniającym energię akustyczną na elektryczną. Ze względu na zasadę działania mikrofony można podzielić na:

pojemnościowe, dynamiczne (elektromagnetyczne i elektrodynamiczne), piezoelektryczne, elektretowe.

Mikrofon pojemnościowy - podstawowym elementem tego mikrofonu jest kondensator, którego jedna okładziną jest membrana, drugą natomiast sztywna płytka. Membrana jest odizolowana od tylnej płytki. Zmiany ciśnienia spowodowane falami akustycznymi powodują przemieszczenie membrany, co powoduje zmianę pojemności kondensatora. Do okładek kondensatora przyłożone jest napięcie polaryzujące w celu wytworzenia na jego okładkach stałego ładunku. W wyniku tego, przy drganiach membrany powstaje w mikrofonie zmienne napięcie.

Mikrofony są tak zbudowane, że uzyskiwane zmienne napięcie jest proporcjonalne do ciśnienia akustycznego fali dźwiękowej w szerokim zakresie częstotliwości i dużym zakresie ciśnień.

W mikrofonie elektrodynamicznym drgająca membrana połączona jest z cewką, która umieszczona jest w szczelinie magnesu trwałego. W wyniku ruchu cewki spowodowanego działaniem na membranę ciśnienia akustycznego p , w cewce powstaje siła elektrodynamiczna wynosząca

gdzie B jest indukcją magnetyczną w szczelinie magnesu, l - długość przewodnika nawiniętego na cewkę, Z - oporność akustyczna.

Mikrofony ciśnieniowe stosuje się przy pomiarach w obszarach zamkniętych, a także przy pomiarach specjalnych, np. w ścianie kanału wentylacyjnego. Mikrofony te maja płaską charakterystykę ciśnieniową skuteczności w zakresie wysokich częstotliwości.

Mikrofony elektretowe są pewną odmianą mikrofonów pojemnościowych. Elektretami nazywamy dielektryki, które spolaryzowane silnym polem elektrycznym zachowują trwale wytworzone ładunki elektryczne. Zasadniczym elementem tego mikrofonu jest membrana z elektretu powlekanego metalem. Zastosowanie elektretu eliminuje konieczność stosowania zewnętrznego źródła napięcia stałego, ułatwiając konstrukcję przedwzmacniacza.

Mikrofonami piezoelektrycznymi nazywamy mikrofony wykorzystujące do przetwarzania energii akustycznej na elektryczną zjawisko piezoelektryczne. Mikrofony tego typu odznaczają się dużą pojemnością elementu piezoelektrycznego, dlatego mniejszy jest wpływ kabla łączącego.

Podstawowe cechy mikrofonu to jego skuteczność oraz wierność odtwarzania sygnałów dźwiękowych.

Skuteczność mikrofonu jest to stosunek napięcia uzyskanego z mikrofonu do działającego ciśnienia akustycznego. Wyraża się ją wzorem:

gdzie U jest wartością skuteczną napięcia na wyjściu, p - wartością skuteczną ciśnienia akustycznego. Skuteczność wyrażamy w V ⋅ Pa ^-1 . Dla typowych mikrofonów stosowanych w pomiarach akustycznych wartość S zawarta jest w przedziale 5 - 50 V ⋅ Pa ^-1. Zależność skuteczności mikrofonu od częstotliwości jest charakterystyką częstotliwościową skuteczności mikrofonu.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki częstotliwościowej mikrofonu. Dokonujemy pomiaru napięcia wyjściowego z mikrofonu przy zadanym poziomie ciśnienia akustycznego. Pomiary przeprowadzamy w funkcji częstotliwości dla dwóch różnych ciśnień. Następnie wykreślamy otrzymane charakterystyki skuteczności badanych mikrofonów.

Przykłady obliczeń wykonanych w ćwiczeniu:

Wyznaczenie charakterystyki częstotliwościowej mikrofonu:

Mikrofon 90 MDU:

Dane są kolejne częstotliwości: 250, 500, 1000, 2000, 4000, 5000 [ Hz ]

Tak odpowiednio dla w / w częstotliwości poziom:

L_p = 88dB, 90 dB, 87 dB, 87 dB, 90 dB, 88 dB

L_u = -33 dB, -42dB, -50,5 dB, -57,8 dB, -59 dB, -63 dB.

Mając dane L_u i L_p obliczamy wartość skuteczną napięcia na wyjściu oraz wartość skuteczną ciśnienia akustycznego.

L_p = 20 log (p / p_o ) : 20

L_p / 20 = log (p / p_o )

10 ^{Lp / 20} = p / p_o

p = p_o ⋅ 10 ^{Lp / 20} p_o = 2 ⋅ 10 ^-5 Pa

L_u = 20 log (u / u_o ) : 20

L_u / 20 = log (u / u_o )

10 ^{Lu / 20} = u / u_o

u = u_o ⋅ 10 ^{Lu / 20} u_o = 1 V

Przykładowe obliczenia dla mikrofonu MDU 90 dla częstotliwości 250 Hz:

Dla ν = 250 Hz

L_p = 20 log (p / p_o ) : 20

p = p_o ⋅ 10 ^{Lp / 20} p_o = 2 ⋅ 10 ^-5 Pa

p = 2 ⋅ 10 ^-5 Pa ⋅ 10 ^{88 dB / 20}

p = 0,50 Pa

L_u = 20 log (u / u_o ) : 20

u = u_o ⋅ 10 ^{Lu / 20} u_o = 1 V

u = 1 V ⋅ 10 ^{-33 dB / 20}

u = 0,022 V

Skuteczność liczymy wg wzoru:

tak więc podstawiając do wzoru:

S = 0,044

Tabele wyników:

Dla MDU 90:

	250 Hz	500 Hz	1000 Hz	2000 Hz	4000 Hz	5000 Hz
Lp [ dB]	88	90	87	87	90	88
p [ Pa ]	0,50	0,63	0,45	0,45	0,63	0,50
Lu [ dB ]	-33	-42	-50,5	-57,8	-59	-63
U [ V ]	0,022	0,0079	0,0029	0,0012	0,0011	0,00071
S [ V / Pa]	0,044	0,012	0,0064	0,0026	0,0017	0,0014

Dla MDU 100:

	250 Hz	500 Hz	1000 Hz	2000 Hz	4000 Hz	5000 Hz
Lp [ dB]	98	100	97	97	101	98
p [ Pa ]	1,59	2	1,41	1,41	2,24	1,59
Lu [ dB ]	-23,5	-32,2	-44	-48	-49,5	-57
U [ V ]	0,067	0,024	0,0063	0,0040	0,0033	0,0014
S [ V / Pa]	0,042	0,012	0,0045	0,0028	0,0015	0,00088

Dla MDO 90:

	250 Hz	500 Hz	1000 Hz	2000 Hz	4000 Hz	5000 Hz
Lp [ dB]	88	90	87	86	90	89
p [ Pa ]	0,50	0,63	0,45	0,4	0,63	0,56
Lu [ dB ]	-36,5	-39,8	-49,9	-45	-53,5	-60
U [ V ]	0,015	0,010	0,0031	0,0056	0,0021	0,001
S [ V / Pa]	0,03	0,016	0,0069	0,014	0,0033	0,0018

Dla MDO 100:

	250 Hz	500 Hz	1000 Hz	2000 Hz	4000 Hz	5000 Hz
Lp [ dB]	98	101	97	96	100	99
p [ Pa ]	1,59	2,24	1,41	1,26	2	1,78
Lu [ dB ]	-25,2	-30	-40	-35,4	-43,6	-50,6
U [ V ]	0,055	0,032	0,01	0,017	0,0066	0,0029
S [ V / Pa]	0,034	0,014	0,0071	0,013	0,0033	0,0016

Wnioski:

Ćwiczenie to pozwoliło nam zapoznać się bliżej z charakterystyką częstotliwościową mikrofonu. Wynika z tego, że w miarę wzrostu ciśnienia akustycznego nasza skuteczność maleje. Zmniejszenie średnicy mikrofonu zmniejsza jego czułość, a jest to powodowane zwiększeniem efektywnej sztywności membrany oraz tym, że zmiana pojemności jest wprost proporcjonalna do zmiany powierzchni membrany. Na różne wartości skuteczności, a co za tym idzie także różne wartości napięcia i ciśnienia mają wpływ także takie czynniki jak mechaniczne tłumienie ruchu membrany, wielkość masy membrany oraz zjawisko interferencji i dyfrakcji, gdy średnica mikrofonu ma wartość tego samego rzędu co długość fali akustycznej.

---