Основные физические величины, описывающие свойства воздуха, входят в выражения для расчета чувствительностей микрофонов или влияют на зависимость чувствительности от внешних условий. Эти величины зависят от внешних условий, например от статического давления, температуры и влажности. Значения величин и их зависимости от внешних условий даны в приложении МЭК 61094-2.
Определение уровня чувствительности по свободному полю при градуировке методом взаимности при контролируемых условиях оценивают с неопределенностью менее чем 0,2 дБ в диапазонах частот от 1 до 20 кГц и от 2 до 20 кГц для лабораторных эталонных микрофонов типов LS1P и LS2P, соответственно, при коэффициенте охвата, равном 2.
(справочное)
А.1 Исходя из определения, положение акустического центра микрофона зависит от ориентации, частоты и расстояния точки наблюдения от преобразователя. Для достаточно удаленных точек наблюдения влияние положения акустического центра на неопределенность градуировки уменьшается. На таких расстояниях за акустический центр можно принять центр мембраны микрофона. Однако для расстояний от 150 до 600 мм, обычно используемых при градуировке микрофонов методом взаимности, могут быть приняты значения, указанные на рисунке А.1 и в таблице А.1. Данные о положении акустического центра в зависимости от частоты приведены по отношению к поверхности мембраны на главной оси для микрофонов типов LS1P и LS2P. Положительный знак указывает на то, что акустический центр находится перед мембраной.
Погрешность определения значений, данных в таблице А.1 и на рисунке А.1, оценена менее чем в 2 мм для частот ниже резонансной частоты микрофона. Для микрофонов типа LSF такие данные в настоящее время отсутствуют.
Таблица А.1 - Приближенные значения для положения акустического центра микрофонов типов LS1P и LS2P в зависимости от частоты относительно мембраны при нормальном падении звуковой волны
Таблица А.1
Расстояние в миллиметрах
|
Частота, кГц |
LS1P |
LS2P |
Частота, кГц |
LS1P |
LS2P |
|
0,63 |
9,0 |
- |
4,0 |
5,7 |
3,9 |
|
0,8 |
8,9 |
- |
5,0 |
5,0 |
3,6 |
|
1,0 |
8,7 |
5,0 |
6,3 |
4,2 |
3,2 |
|
1,25 |
8,4 |
4,9 |
8,0 |
3,3 |
2,8 |
|
1,6 |
8,0 |
4,8 |
10,0 |
2,2 |
2,3 |
|
2,0 |
7,5 |
4,7 |
12,5 |
0,9 |
1,8 |
|
2,5 |
7,0 |
4,4 |
16,0 |
-0,4 |
1,2 |
|
3,15 |
6,4 |
4,2 |
20,0 |
-1,9 |
0,5 |
Рисунок А.1 - Приближенные значения для положения акустического центра микрофонов типов LS1P и LS2P в зависимости от частоты (см. таблицу А.1) относительно мембраны при нормальном падении звуковой волны
(справочное)
Б.1 Методы расчета коэффициентов затухания в воздухе даны в ИСО 9613-1. В настоящем приложении описана физика этого явления и приведены формулы для расчета коэффициента затухания в зависимости от частоты, температуры, статического давления и влажности. Методика расчета, описанная ниже, соответствует требованиям ИСО 9613-1.
Обозначения:
T20 = 293,15 К - опорная термодинамическая температура, К;
T01 = 273,15 К - термодинамическая температура тройной точки воды, К;
Т - абсолютная температура, К;
- статическое давление, кПа;
- давление насыщенных паров, кПа;
Н - относительная влажность, %;
h - фракционная молярная концентрация водяных паров;
- частота релаксации кислорода, Гц;
- частота релаксации азота, Гц.
Методика расчета:
Шаг 1: Определяют давление насыщенных паров, используя формулу
,где .
Шаг 2: Определяют молярную концентрацию водяных паров:
.
Шаг 3: Определяют частоты релаксации:
,
.
Шаг 4: Определяют коэффициент затухания в воздухе в неперах на метр (Нп/м):
Погрешность расчета коэффициента затухания в воздухе составляет ± 10 % для следующих внешних условий:
Температура воздуха от минус 20 oС до плюс 50 oС.
Статическое давление менее 200 кПа.
Молярная концентрация водяных паров от 0,5-10-3 до 50-10-3.
Отношение частота/давление от 0,4 Гц/кПа до 104 Гц/кПа.
Значения затухания звукового давления в воздухе, рассчитанные согласно ИСО 9613-1, для внешних условий, рекомендуемых для лабораторий при проведении градуировки по свободному полю методом взаимности, приведены в таблице Б.1. Значения, приведенные в таблице Б.1, равны 8,686 а и выражены в децибелах на метр (дБ/м).
Таблица Б.1- Затухание звукового давления в воздухе
в дБ/м
|
f, кГц |
t = 21oС; = 101,325 кПа |
t= 23 oС; = 101,325 кПа |
t=25oС; =101,325 кПа |
||||||
|
H=25 % |
H=50 % |
H=80 % |
H=25 % |
H=50 % |
H=80 % |
H=25 % |
H=50 % |
H=80 % |
|
|
1,0 |
0,0054 |
0,0048 |
0,0054 |
0,0054 |
0,0052 |
0,0059 |
0,0054 |
0,0057 |
0,0063 |
|
1,25 |
0,0075 |
0,0059 |
0,0063 |
0,0072 |
0,0062 |
0,0069 |
0,0070 |
0,0067 |
0,0076 |
|
1,6 |
0,0111 |
0,0075 |
0,0077 |
0,0104 |
0,0078 |
0,0083 |
0,0099 |
0,0082 |
0,0091 |
|
2,0 |
0,0162 |
0,0099 |
0,0093 |
0,0149 |
0,0099 |
0,0099 |
0,0140 |
0,0102 |
0,0107 |
|
2,5 |
0,0240 |
0,0134 |
0,0116 |
0,0220 |
0,0132 |
0,0121 |
0,0203 |
0,0132 |
0,0129 |
|
3,15 |
0,0365 |
0,0192 |
0,0153 |
0,0332 |
0,0184 |
0,0155 |
0,0304 |
0,0180 |
0,0161 |
|
4,0 |
0,0565 |
0,0287 |
0,0212 |
0.0514 |
0,0271 |
0,0210 |
0,0469 |
0,0259 |
0,0212 |
|
5,0 |
0,0846 |
0,0426 |
0,0299 |
0,0773 |
0,0397 |
0,0291 |
0,0706 |
0,0374 |
0,0287 |
|
6,3 |
0,1267 |
0,0649 |
0,0441 |
0,1170 |
0,0601 |
0,0421 |
0,1076 |
0,0561 |
0,0407 |
|
8,0 |
0,1882 |
0,1010 |
0,0673 |
0,1767 |
0,0933 |
0,0635 |
0,1645 |
0,0866 |
0,0605 |
|
10,0 |
0,2643 |
0,1527 |
0,1013 |
0,2539 |
0,1411 |
0,0949 |
0,2405 |
0,1308 |
0,0896 |
|
12,5 |
0,3578 |
0,2292 |
0,1535 |
0,3537 |
0,2131 |
0,1434 |
0,3429 |
0,1980 |
0,1347 |
|
16,0 |
0,4771 |
0,3541 |
0,2435 |
0,4885 |
0,3327 |
0,2275 |
0,4889 |
0,3115 |
0,2132 |
|
20,0 |
0,5929 |
0,5139 |
0,3682 |
0,6266 |
0,4901 |
0,3452 |
0,6468 |
0,4641 |
0,3240 |
|
25,0 |
0,7123 |
0,7256 |
0,5514 |
0,7737 |
0,7061 |
0,5207 |
0,8224 |
0,6794 |
0,4910 |
|
31,5 |
0,8421 |
1,0019 |
0,8244 |
0,9332 |
0,9998 |
0,7876 |
1,0166 |
0,9828 |
0,7491 |
|
40,0 |
0,9947 |
1,3445 |
1,2191 |
1,1136 |
1,3795 |
1,1847 |
1,2326 |
1,3915 |
1,1419 |
|
50,0 |
1,1758 |
1,7135 |
1,7083 |
1,3157 |
1,8007 |
1,6930 |
1,4636 |
1,8612 |
1,6594 |
(справочное)
Настоящее приложение дает информацию о влиянии статического давления и температуры на чувствительность по полю микрофонов типов LS1P и LS2P. Для микрофонов типа LSF в настоящее время такие данные отсутствуют. Исчерпывающие сведения о влиянии внешних условий на чувствительность микрофонов по давлению даны в приложении МЭК 61094-2. Кроме того, импеданс излучения и дифракция звука, вызванная микрофоном, также зависят от внешних условий.
Конструктивные особенности микрофона определяют относительное влияние внешних условий. Считают, что скорость звука, плотность и вязкость воздуха пропорциональны температуре и (или) статическому давлению. Далее рассмотрены усредненные температурные коэффициенты и коэффициенты статического давления микрофонов, которые определены как отношение чувствительности по свободному полю при опорных условиях к чувствительности по свободному полю при заданном значении статического давления или температуры, соответственно. Примеры относятся к чувствительности по свободному полю при распространении звука вдоль главной оси к внешней стороне мембраны микрофона.
Графики для коэффициентов статического давления чувствительности микрофонов по давлению приведены в МЭК 61094-2. Дополнительное влияние, вызванное импедансом излучения, слегка видоизменит этот график, но усредненный коэффициент статического давления, соответствующий чувствительности по свободному полю, обычно зависит от частоты так, как показано на рисунке B.1. В общем случае коэффициент статического давления зависит от конструктивных особенностей микрофона и его фактические значения могут существенно различаться для двух однотипных микрофонов разных производителей. Поэтому коэффициенты статического давления (рисунок B.1) не следует применять к конкретным микрофонам.
Значение коэффициента статического давления в диапазоне низких частот обычно лежит между минус 0,01 и минус 0,02 дБ/кПа для микрофонов типа LS1P, и между минус 0,003 и минус 0,008 дБ/кПа для микрофонов типа LS2P.
Коэффициент статического давления, дБ/кПа
Рисунок B.1 - Зависимости коэффициента статического давления чувствительности по свободному полю микрофонов типов LS1P и LS2P от безразмерной частоты f/f0, где - резонансная частота микрофона
Графики температурных коэффициентов чувствительности микрофонов по давлению приведены в МЭК 61094-2. Дополнительное влияние, вызванное изменением температуры окружающего воздуха, немного изменит этот график, но усредненный температурный коэффициент, соответствующий чувствительности по свободному полю, обычно зависит от частоты так, как показано на рисунке В.2.
Изменение температуры оказывает воздействие не только на скорость звука, т.е. на длину волны, но также и на коэффициент дифракции [см. уравнение (3)]. Это воздействие зависит от угла падения звука и может быть значительным на высоких частотах при определенных углах падения и при минимальной чувствительности.
Кроме воздействия на заключенный в замкнутых полостях воздух, изменения температуры воздействуют на механические детали микрофона.
Изменение температуры приводит, в основном, к изменению в натяжении мембраны и, таким образом, к постоянному изменению чувствительности в диапазоне, контролируемом гибкостью, и к небольшому изменению резонансной частоты.
В общем случае температурный коэффициент зависит от конструкции деталей микрофона и его фактические значения могут существенно различаться для двух однотипных микрофонов разных производителей. Поэтому данные о температурном коэффициенте , приведенные на рисунке В.2, не следует применять к конкретным микрофонам.
Значение температурного коэффициента в диапазоне низких частот обычно находится в пределах ± 0,005 дБ/К для микрофонов типов LS1P и LS2P.
Рисунок В.2 - Типичная форма зависимости составляющей части температурного коэффициента чувствительности по свободному полю от безразмерной частоты f/f0 ( - резонансная частота микрофона), вызванной изменениями импеданса воздуха в замкнутых полостях и около микрофона, для микрофонов типов LS1P и LS2P
(справочное)
[1] МИ 2552-99 Государственная система обеспечения единства измерений. Применение «Руководства по выражению неопределенности измерений»
Ключевые слова: эталонные микрофоны, метод взаимности, акустический импеданс
