音とは、媒体 (空気、液体、または人間の耳で知覚できるその他の媒体) を介して伝播する圧力変動を指します。圧力振動/音は鼓膜によって電子信号に変換され、脳に伝達されます。脳はこれらの信号を受信し、その特徴に基づいて音楽、音声、騒音などのさまざまな音の形式を識別します。
マイクは鼓膜と同じように機能します。これらの信号を記録して分析することで、音源からマイクまでの音の伝播経路の特性に関する情報を収集できます。たとえば、騒音、振動、および音響粗さのテストでは、エンジニアは運転中の乗客の快適性に影響を与えるような不要な音を低減したいと考えることがよくあります。ノイズとは、人間の耳に聞こえる周波数範囲を上回る音または下回る音、または共振周波数における音の振幅のことです。これらの測定は、排出基準を満たすためにノイズを低減したり、機器の性能や寿命を分析したりする必要がある設計エンジニアにとって非常に重要です。
マイクの動作原理 マイクを設計する場合、さまざまなオプションが利用可能ですが、外部分極コンデンサ マイク、事前分極エレクトレット コンデンサ マイク、圧電マイクが最も一般的に使用される測定マイクです。{0}
1.コンデンサーマイク
コンデンサーマイクは、コンデンサー設計に基づいたマイクの一種です。コンデンサーマイクは、コンデンサーの一方の基板として金属振動板を使用しています。振動板に隣接する金属シートがもう一方の基板として機能します。音場が振動板を励起すると、2 つの基板間の静電容量が音圧レベルに応じて変化します。高抵抗を介して安定した DC 電圧を基板に印加すると、基板上の電荷が保持されます。静電容量の変化により、音圧レベルに比例した AC 出力が生成されます。事前偏極マイクは、外部分極電圧または材料の固有の特性を使用してコンデンサを充電できます。外部極性コンデンサーマイクには 200V の電源電圧が必要です。事前偏極マイクは、定電流源を必要とする IEPE プリアンプによって電力を供給されます。
2. 圧電マイク
圧電マイクは結晶構造を使用してバックプレーン電圧を生成します。多くの圧電マイクは加速度計と同じ信号調整メカニズムを採用しており、分極電圧を提供するために IEPE 信号調整を使用するものもあります。このタイプのセンサーは感度が低いですが、耐久性があり、高振幅の音圧レベルを測定できます。-ただし、このタイプのマイクのバックグラウンド ノイズ レベルは一般に高くなります。この設計は、衝撃圧力および破裂圧力の測定用途に適しています。
適切なマイクの選び方
応答フィールド
マイクを選択するときは、マイクが使用されるフィールドの種類を考慮する必要があります。マイクは、自由音場、圧力音場、拡散音場という 3 つのタイプに分類されます。-。これらのマイクは低周波数では同様に動作しますが、高周波数では動作が大きく異なります。
自由音場マイクは、単一の音源からマイクの振動板で直接放射される音圧を測定します。これらのセンサーは、マイクが音場に入る前に存在する音圧を測定します。これらのマイクは、硬い表面や反射面のないオープンエリアに最適です。無響室またはそれ以上のオープンエリアは、フリーフィールドマイクに最適です。-
圧力フィールド マイクは、振動板の前の音圧を測定します。{0}その振幅と位相はフィールド内のどの点でも同じであり、波長は比較的短いです。密閉された空間や空洞でよく見られます。圧力場センサーの用途の例には、壁圧力試験、翼圧力試験、チューブ、コロイド、空洞などの内部構造の圧力試験などがあります。
場合によっては、音が単一の音源から発生しない場合があります。拡散-場マイクは、さまざまな方向から同時に到来する音に対して均一な応答を提供します。これらのタイプのマイクは、教会や硬くて反射する壁のあるその他の環境での音の測定に適しています。ただし、ほとんどのマイクロフォンでは、圧力場と拡散場の応答は類似しているため、圧力場マイクロフォンは拡散場の測定にもよく使用されます。
ダイナミックレンジ
音を説明するための主な基準は、音圧変動の振幅に基づいています。人間の耳が知覚できる最低音圧振幅は 20 ppm (20 μPa) です。パスカルを使用して音圧を表現すると、通常小さすぎて処理が難しいため、測定単位としてデシベル (dB) が一般的に使用されます。この対数比は、音圧振動に対する人間の耳の反応をより正確に表します。
メーカーは、マイクの設計と物理的特性に基づいて最大デシベル値を指定します。最大デシベル値は、ダイアフラムがバックプレートに近づくとき、または全高調波歪み (THD) が指定された値 (通常は 3% THD) に達するときの音圧レベルを指します。特定のアプリケーション環境において、マイクの最大デシベル出力は、供給される電圧とマイクの感度によって異なります。特定のプリアンプとそれに対応するピーク電圧を使用してマイクの最大デシベル出力値を計算する前に、まずマイクが耐えられる最大音圧レベルを計算する必要があります。音圧レベル (SPL) 値は、次の式を使用して計算できます。
P=Pa、ここでの電圧はプリアンプのピーク電圧です。
マイクのピーク電圧における最大 SPL が決定したら、次の式を使用して SPL をデシベルに変換できます。
ここで、P はパスカルで表される圧力、P0 は基準 SPL (定数、= 0.00002 Pa) です。
この式は、マイクを特定のプリアンプとともに使用した場合に測定可能な最大 SPL 値を算出します。必要な最小ノイズ レベルまたは SPL を決定するには、マイクのモジュールの熱雑音定格規格を参照してください。 CTN 仕様では、検出可能な最小 SPL 値が規定されており、これはマイク固有の電気ノイズよりも高くなります。図 6 は、マイクをさまざまな周波数のプリアンプとともに使用したときの一般的なノイズ レベルを示しています。
マイクを選択するときは、測定された圧力値がマイクの CTN 値と最大定格デシベル値の間にあることを確認することが重要です。一般に、マイクの直径が小さくなるほど、デシベル値の上限は高くなります。通常、直径が大きいマイクは CTN 値が低いため、低範囲のデシベル測定によく使用されます。-
周波数応答
必要なマイクフィールド応答タイプとダイナミックレンジを決定したら、マイクの仕様を参照して使用可能な周波数範囲を決定します。通常、マイクロフォンの直径が小さいほど、周波数の上限が高くなります。逆に、直径が大きいマイクは感度が高く、低周波の検出に適しています。-
メーカーは通常、周波数許容誤差を ±2dB に設定します。さまざまなマイクを比較するときは、その周波数範囲と特定の周波数範囲の許容値を確認することが重要です。アプリケーションの要件が高くなく、デシベル許容値の増加が許容範囲内であれば、マイクロフォンの使用可能な周波数範囲を改善できます。特定のデシベル許容値に対応する実際の使用可能な周波数範囲を決定するには、製造元に確認するか、マイクの校正テーブルを参照してください。
偏光タイプ
従来の外部偏極マイクと新しい事前偏極マイクはほとんどの用途に適していますが、この 2 つには違いがあります。{0}外部偏極マイクは 120 度から 150 度の温度範囲に適しているため、高温環境に推奨されます。-事前偏極マイクは湿気の多い環境に適しています。-急激な温度変化により、外部偏極マイクの内部コンデンサ構造に短絡が発生する可能性があります。
外部極性マイクには特定の 200V 電圧が必要なため、その構成では 7- ピン ケーブルと LEMO コネクタのみを使用できます。 2 ～ 20mA の定電流源によって駆動される新しい偏極マイクは使いやすく、そのため人気が高まっています。この構成では、標準ケーブルと同軸ケーブル、および BNC または 10-32 コネクタを使用して、読み取りデバイスに電流と信号を供給できます。
温度範囲
周囲温度が指定された最大温度に達すると、マイクの感度が低下します。マイクの動作温度と保管温度の両方を考慮する必要があります。極端な条件下での動作や保管はマイクに悪影響を及ぼし、キャリブレーション要件が増加する可能性があります。ほとんどの場合、システムのプリアンプが動作温度範囲の制限要因となります。 120 度の高温はほとんどのマイクの感度に影響を与えませんが、必要なプリアンプは 60 度から 80 度の環境での動作に限定されます。
マイク信号調整
DAQ 機器を使用してマイクを測定する準備をする場合は、信号調整要件がすべて満たされていることを確認するために、次の点を考慮してください。
測定精度と信号対雑音比を向上させるための増幅{0}}-
IEPE センサーのプリアンプに電力を供給するための電流励起
AC カップリングにより DC バイアスを排除し、分解能を向上させ、入力デバイスの全範囲を最大限に活用します。
外部の高周波ノイズを除去するフィルタリング-
異なる接地電位間の電流によって発生するノイズを除去するための適切な接地
マイクの全振幅範囲を測定するためのダイナミック レンジ
