使用麥克風測量聲音

1. 什么是聲壓？

聲音是指通過介質（空氣、液體或其他能被人耳所感知的介質）傳播的壓力波動。 壓力振蕩/聲音經由耳膜轉換成電子信號傳播到人腦，人腦接受到信號，根據信號特征識別出音樂、演講、噪聲等不同的聲音形式。 麥克風的工作機制與耳膜一樣。 然后您可以通過錄制和分析這些信號來采集聲音從聲源到麥克風的傳播途徑特征信息。 例如，在噪聲、振動、聲振粗糙度測試過程中，工程師通常希望降低不希望有的聲音，如減少行車中影響乘客舒適度的聲音。 噪聲可以是人耳能聽到頻率范圍之上或之下的聲音，亦或是在某個共振頻率時的聲音幅值。 對于需要降低噪聲來滿足排放標準，或對設備進行性能和使用壽命等特性進行分析的設計工程師來說，這些測量至關重要。

人類生活在充滿聲音的世界中，人耳能感知到周圍的聲壓，因此聲壓測量是一種常見的測量類型之一。 聲壓級表示接收器感知到的聲音強度，以帕斯卡(Pa)表示。 我們也可以測量聲源的聲功率。 聲功率級反映聲源向四周輻射的總能量大小，以瓦(W)表示。 它不受空間、接收器或與聲源距離等環境因素的影響。 功率是聲源的一個屬性，而聲壓則受環境，反射面、聲源與接受器的距離、環境噪聲等特征。

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2. 麥克風的工作原理

設計麥克風時，有多種方案可供選擇，但外部極化電容麥克風、預極化駐極體電容式麥克風、壓電式麥克風是最常用的測量麥克風。

電容式麥克風

電容式麥克風是基于電容設計的一種麥克風。 電容式麥克風包含的金屬振膜作為電容的一個基板。 緊靠振膜的金屬片作為電容的另一個基板。 聲場激勵金屬振膜后，兩個基板之間的電容可隨聲壓的變化而變化。 通過一個高電阻向基板施加一個穩定直流電壓可使電荷保留在基板上。 電容的變化會產生一個與聲壓成正比的交流輸出。 預極化麥克風可通過外部極化電壓或材料本身的屬性對電容充電。 外部極化電容麥克風需要200V的供電電壓。 預極化麥克風由需要恒定電流源的IEPE預放大器供電。

壓電式麥克風

壓電式麥克風采用晶體結構來生成背板電壓。 許多壓電式麥克風采用與加速度計相同的信號調理機制，有些也適用IEPE信號調理來提供極化電壓。 雖然這種傳感器類型的麥克風靈敏度低，但持久耐用，可測量高振幅聲壓。 但是，這種麥克風的背景噪聲級別通常較高。 這種設計適用于沖擊壓力、爆破壓力測量應用。

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3. 如何選擇合適的麥克風？

響應場

選擇麥克風時必須考慮其運行的場類型。 麥克風分為三個類型：自由場、壓力場和擴散場。 在低頻率環境下，這些麥克風的工作原理相似，但在高頻環境下卻截然不同。

自由場麥克風測量的是麥克風隔膜處來自單個聲源直接發出的聲壓。 這類傳感器測量的是麥克風進入聲場之前存在的聲壓。這類麥克風最適合沒有較硬表面或反射面的開闊地域。 消音室或更開闊的地帶是自由場麥克風的理想使用場所。

壓力場麥克風用于測量振膜前方的聲壓。 它在場內任何位置的幅度跟相位均相同, 它的波長相對較小，常見于密閉空間或腔體體內。 壓力場傳感器應用范例包括墻體抗壓測試、機翼壓力測試，以及管子、膠體、腔體等內部結構的壓力測試。

有些情況下，聲音并非僅來自一個聲源。 擴散場麥克風對不同方位同時傳來的聲音作出統一響應。 這類麥克風適用于測量在教堂或其他具有堅硬反射性墻體的聲音。 但是，對于多數麥克風，壓力場和擴散場響應是相似的，因此壓力場麥克風通常也用于擴散場測量。

動態范圍

描述聲音的主要標準是基于聲壓波動的振幅。 人耳能感知到的最低聲壓振幅是百萬分之20帕斯卡(20 μPa)。 用帕斯卡來表示聲壓，數值通常比較小，不利于處理，因此常用分貝(dB)作為計量單位。 這個對數比例可較準確地描述人耳對聲壓振動的反應。

制造商根據麥克風的設計和物理特性來規定最大分貝值。 最大分貝值是指振膜趨近于背極板的聲壓，或總諧波失真(THD)達到指定值（通常是3%THD）。 在一定應用環境中，麥克風輸出的最大分貝值取決于提供的電壓和麥克風的靈敏度。 在使用特定前置放大器及其對應的峰值電壓計算出麥克風的最大分貝輸出值之前，我們需要先算出麥克風能承受的最大聲壓級。 可通過下列公式計算聲壓值：

P=Pa, 電壓為前置放大器的峰值電壓。

確定了麥克風峰值電壓時的最大聲壓級，便可通過下列計算公式將聲壓級轉換成分貝值：

其中P是以帕斯卡表示的壓力
P0：參考聲壓（常數，=0.00002 Pa）

通過該公式可得出麥克風與特定前置放大器配合使用時可測量的最大額定值。 如需確定所需的最小噪聲級別或聲壓，可參閱麥克風的模塊熱噪聲評級標準。 CTN規范提供了可檢測到的最小聲壓值， 該值高于麥克風的固有電噪聲。 圖6顯示了不同頻率下，麥克風與前置放大器配合使時的典型噪聲級別。

選擇麥克風時， 必須確保所測的壓力值介于麥克風的CTN值和最大額定分貝值之間。 總而言之，麥克風的直徑越小，分貝值上限越大。 直徑大的麥克風一般CTN值較小，因此常用于低量程分貝測量。

頻率響應

確定了所需的麥克風場響應類型及動態范圍后，可參閱麥克風規格標準，以確定可用的頻率范圍。 直徑小的傳聲器，上限頻率通常較高。 反之，直徑大的麥克風靈敏度高，更適用于低頻檢測。

制造商一般將頻率的容差設置為±2dB。 比較不同麥克風時，一定要檢查不同麥克風的頻率范圍以及特定頻率范圍的容差。 如果應用要求不高， 而增加的分貝容差在允許范圍內，便可提高麥克風的可用頻率范圍。 您可與制造商確認或參照麥克風校準表，確定特定分貝容差對應的實際可用頻率范圍。

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極化類型

傳統外部極化麥克風跟新式預極化麥克風適用于大部分應用環境，但這兩者之間也有差異。 外部極化麥克風的靈敏度更符合120 °C 到 150 °C 的溫度范圍，因此在高溫環境中建議使用外部極化麥克風。 而預極化麥克風更適用于潮濕環境。 溫度的驟變會導致外部極化麥克風的內部電容結構短路。

由于外部極化麥克風需要200V的特定電壓，因此配置時，只能選用7針電纜和LEMO連接器。 新型預極化麥克風通過2-20mA的恒源流供電，便于使用，因此更受歡迎。 這種配置下，您可使用標準和同軸線纜和BNC或10-32連接器來為讀取設備提供電流和信號。

溫度范圍

當環境溫度達到麥克風最大規定溫度時，麥克風的靈敏度就會下降。 我們需要綜合考慮麥克風的工作溫度和存儲溫度。 極端條件下的運行或存儲會對麥克風產生負面影響，增加其校準要求。 多數情況下，系統前置放大器是工作溫度范圍的制約因素。 盡管120°C 高溫環境對多數麥克風的靈敏度沒有影響，但所需的前置放大器卻限于在60 °C 到80 °C的環境下運行。

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4. 麥克風信號調理

當準備要使用DAQ設備測量的麥克風時，需要考慮以下幾點，以確保滿足您所有的信號調??理要求：

• 放大，以提高測量精度和信噪比
• 電流激勵，為IEPE傳感器的前置放大器供電
• AC耦合，以消除直流偏置、提高分辨率，并充分利用輸入設備的整個量程
• 濾波，消除外部的高頻噪聲
• 正確接地，以消除不同接地電位之間的電流產生的噪聲
• 動態范圍，以測量麥克風的完整振幅范圍