Лабораторная по физике №4, или как создать файл компенсации для микрофона

Иногда в акустических измерениях с помощью программы SpectrаLab (или SpectraPLUS) может потребоваться файл компенсации неравномерности АЧХ применяемого микрофона. Если взять его негде, то можно попробовать сделать его самостоятельно по методу взаимности, описанном Вологдиным Э.И. в «Компьютерном практикуме по электроакустике» (файл есть в приложении к тексту) с помощью программ SpectrаLab, Mathcad, Блокнот и двух дополнительных широкополосных динамиков.

Здесь те, кто разбирается в Mathcad-е уже могут бросить дальше читать, а, скачав «Практикум» и вытащив из кладовки динамики, приступить к созданию файла компенсации.

Я же с Mathcad-ом не знаком и, можно сказать, что ничего сложнее программы Excel не пробовал (и, как оказалось, до сих пор в нём не очень хорошо разбираюсь :-) ), но подумалось, что раз Excel работает с математическими формулами, то почему бы не посчитать компенсационный файл в нём, а не в Mathcad-е?

И оказывается да, это можно сделать – надо только разделительные точки в нецелых числах, с которыми работает программа SpectrаLab заменить на запятые, с которыми работает Excel, провести расчёты, а потом сделать обратную замену.

А вот здесь уже могут бросить читать те, кто разбирается в Excel-е. Для тех же, кто знаком с ним поверхностно, в приложении есть пошаговая инструкция процесса, так как описывать всё это здесь было бы долго и нудно.

На этом можно было бы и закончить, но в «Практикуме» есть несколько непонятных моментов, на которые хотелось бы обратить внимание. Возможно, эти «моменты» сделаны специально для оценки внимательности студентов, а возможно, что я чего-то не понимаю, но не рассказать о них нельзя.

Итак, допустим, глава «Измерение частотной характеристики микрофона методом взаимности» из «Компьютерного практикума по электроакустике» Вологдина Э.И уже прочитана и принцип лабораторной работы понятен. Для проведения замеров нам потребуются:

1. Два широкополосных динамика (желательно одного типа и с максимально широкой рабочей полосой);
2. Микрофонный усилитель (с коэффициентом усиления 20-40 dB и с возможностью подключения к нему динамика вместо микрофона);
3. Резистор 200-220 Ом (1-2 Вт) и какой-нибудь усилитель низкой частоты с выходным переменным напряжением не менее 7 В и рабочей полосой от 20 Гц до 20 кГц;
4. И, собственно, сам испытуемый микрофон.

В описываемой здесь «лабораторной работе» применялся безымянный электретный микрофон, взятый из трубки телефона LG. Размеры микрофона 9,7х4,5 мм, на рисунке 1 он с удлинёнными выводами в жёлтой изоляции.

Рис.1

Микрофонный усилитель (рис.2) с коэффициентом усиления около 30 dB был собран навесным монтажом на макетной плате. Здесь напряжение падения на светодиодах HL1 и HL2 является «питанием» для электретного микрофона, точки «А» и «В» - место включения микрофона или динамического громкоговорителя (в последнем случае нужно «снимать» джампер Jmp1). Коэффициент усиления зависит от отношения резисторов (R6/R5+1) (в приложении к тексту есть файл модели в формате программы RFSim99). Назначение остальных элементов описывать, наверное, нет надобности.

Рис.2

Динамические громкоговорители – старые 10ГДШ-1 4 Ом, оба уже с посыпавшимися подвесами. Они в вертикальном положении подвешивались на рейках (рис.3), немного со смещением от центра комнаты и немного по диагонали. Микрофонный усилитель прикреплён к тонкой длинной деревянной рейке и подносился к динамику вручную. К проводникам, идущим от УНЧ припаяны резистор 200 Ом и два зажима «крокодил» (рис.4) чтобы не паять лишний раз.

Рис.3

Рис.4

Итак, первый динамик подвешен, схема соединений по рисунку 7.1 из «Практикума» собрана, SpectrаLab запущен. По тексту лабораторной работы (примерно с параграфа 5.3) поочерёдно проводятся все измерения и полученные данные сохраняются в виде трёх текстовых файлов с именами «U», «V» и «W».

Здесь стоит уточнить, что в установках SpectrаLab-а я выбирал усреднение в полосе частот 1/6 октавы (поэтому в текстовых файлах не 9 строк, как в «Практикуме», а 61) и делал отображение графиков тонкими линиями.

В Excel заносятся данные из файлов «U», «V» и «W» (рис.5), проводится замена разделительных точек на запятые и в последнем столбце прописывается «длинная» формула из «Практикума»
=10*LOG10(4,88)+30-10*LOG10(A1)+0,5*B1+0,5*C1-0,5*D1

Рис.5

Стоит уточнить, что в формуле стоят данные именно описываемого эксперимента и при изменении каких-либо условий придётся корректировать данные.

Число «4,88» в первом слагаемом «10*LOG10(4,88)» - это уже посчитанное значение коэффициента «К», где измерительное расстояние было 0,15 м, а переменное напряжение равно 10 В.

И вот с расчётом этого коэффициента «К» связан первый непонятный момент – в тексте «Практикума» всё время говорится о расстоянии 10 см, а в формулу становится значение «0,01 м»… А разве одна сотая метра это не 1 см? :-)

В принципе, ничто не мешает при расчёте «К» взять значение «0,01» и посмотреть, что в результате получится.

Второе слагаемое в формуле - это коэффициент усиления звуковой карты. К нему тоже есть вопрос, так как в «Практикуме» в тексте он пишется то как «10lgKac», то как «Kac» (рис.6), ну, а так как на скрине из программы Mathcad он представлен обычным десятичным числом, то и в формулу для Excel-я также был вписан просто коэффициент усиления «30».

Рис.6

Для наглядности результат расчёта можно посмотреть в виде графика (рис.7).

Рис.7

После сохранения результата с расширением «txt» (и «обратной» замены запятых на точки в программе Блокнот) файл сохраняется с нужным нам именем и расширением «mic» в подпапке «miccomp», которая находится в папке SpectrаLab (или SpectraPLUS).

А теперь можно проверить, а правда ли что так получаются компенсационные файлы и правда ли, что с ними разные микрофоны начнут показывать одинаковую АЧХ одного динамика?

Если проверочная схема всё ещё не разобрана, то закорачиваем резистор 200 Ом перемычкой (или удаляем его), убавляем регулятор громкости УНЧ, запускаем SpectrаLab (а в нём генератор розового шума) и регулировкой громкости выставляем нужный уровень звучания. Подносим микрофон к динамику, снимаем АЧХ и запоминаем (рис.8 - нижний, светло-коричневый график). Затем делаем такой же замер, но с включением компенсационного файла и получаем верхний график (зелёный). Видим, что на участке частот от 50 Гц до 700-800 Гц уровни почти совпадают, но на частотах выше 1 кГц зелёный график всё больше и больше отличается от светло-коричневого. Также видно, что у зелёного графика НЧ участок «более продолжителен» у нижней границы.

Рис.8

Плавный «подъём» зелёного графика связан с наличием в формуле значений вектора средних частот – это учёт коэффициента взаимности, связанного с расстоянием между источником звука и приёмником. Но тут тоже есть «момент» - понятно, что этот коэффициент следует учитывать при экспериментах с электродинамическими микрофонами, а как же быть с электретными? Ведь даташиты на почти все современные «капсюли» говорят о достаточно линейной АЧХ (по крайней мере, на участке 100 Гц – 10 кГц) и там нет никаких плавных спадов или подъёмов…

Для того, чтобы посмотреть, а есть ли какая-то «принципиальная разница» между измерениями динамическим и электретным микрофонами был создан компенсационный файл для электродинамического МД-201 (он виден на рисунке 1) и им снята АЧХ с динамика 10 ГДШ-1 (рис.9). Микрофон оказался с очень низкой чувствительностью, почти не работающий на частотах ниже 200-300 Гц и поэтому его приходилось подносить очень близко к динамику, отчего начинали сказываться обратные отражения сигналов от микрофона, проявляющиеся в виде провалов и горбов на АЧХ (меняешь расстояние и видно, как они «плавают» по частоте и меняются по уровню). Но, всё же, при сравнении с графиком рисунка 8, на частотах выше 200-300 Гц видно некое подобие, как в общем виде графиков, так и в разнице между их минимумами и максимумами - 20 dB на рисунке 8 и 23 dB на рисунке 9. Из чего можно сделать предположение, что коэффициент взаимности следует учитывать и при измерении электретными конденсаторами.

Рис.9

Точно также при измерениях возникают и некоторые другие «тонкости» - например, при использовании динамиков 10ГДШ-1 на этапе создания файла «W» при измерительном расстоянии менее 15 см на АЧХ в районе 1,2-1,5 кГц начинает появляться «горб», связанный с отражениями звука между динамиками.

И, кроме вышеперечисленных "тонкостей", если учитывать тот факт, что у динамика на частоте резонанса комплексное сопротивление увеличивается в разы и ток в цепи резистор-динамик меняется, то логично предположить, что на этой частоте увеличивается погрешность в расчётной формуле. Скорее всего, спад чувствительности на частоте 30 Гц у зелёного графика на рисунке 8 связан именно с этим (при желании, значения в компенсационном файле можно вручную поправить так, чтобы «компенсационная» АЧХ «вернулась» хотя бы до уровня «бескомпенсационной»).

Таким способом были созданы файлы компенсации для 5-ти электретных микрофонов (три из них размерами 9,7х4,5 мм и два 9,7х6,8 мм) и ими были сняты АЧХ одного из динамиков 10ГДШ-1 (рис.10) (все Excel-евские файлы расчётов есть в приложении). Два нижних графика – это с микрофонов толщиной 6,8 мм, они имели меньшую чувствительность (примерно на 5-10 dB), приходилось увеличивать уровень звучания розового шума и громкость была подобрана так, чтобы графики были немного сдвинуты вниз – так лучше видны отличия в АЧХ на частотах около 7 кГц и у одного из них ещё и на нижней границе рабочего диапазона.

Рис.10

...Спустя некоторое время удалось немного разобраться с Mathcad-ом. На рисунке 11 показан скрин, на котором видно, что результат расчёта получается такой же, как и в Excel-е – и график подобен тому, что показан на рисунке 7, и значения такие же, как в столбце «Е» на рисунке 5 (файл для Mathcad-а в приложении).

Рис.11

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, весна 2019

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Микрофон
• Измеритель АЧХ