ПРИЛОЖЕНИЕ В
(справочное)

Цилиндрические камеры связи, применяемые для градуировки микрофонов

В камере связи, применяемой для градуировки методом взаимности, распределение звукового давления на мембране как микрофона-излучателя, так и микрофона-приемника должно быть равномерным. Особенно важно обеспечить равномерное распределение давления на мембране микрофона-приемника для того, чтобы получить чувствительность микрофона в соответствии с определением чувствительности по давлению (3.4 МЭК 61094-1). Из-за радиального волнового движения и асимметричности движения мембраны это идеальное условие можно выполнить лишь приближенно. Для увеличения частотного диапазона камеры связи (это относится только к радиальному волновому движению) необходимо, чтобы радиальная резонансная частота была наиболее высокой, что возможно при уменьшении диаметра камеры связи. Практически диаметр камеры связи не должен быть меньше диаметра микрофона. Однако для имеющейся камеры связи можно повысить частоту резонанса, введя взамен воздуха внутрь камеры водород или гелий (7.3.2). Теоретически это увеличение верхней граничной частоты камеры связи определяется коэффициентом, равным отношению скорости звука в водороде (гелии) к скорости звука в воздухе. Кроме того, необходимо заметить, что волновая скорость мембраны микрофона почти не зависит от газа в камере связи и не увеличится во столько же раз, как скорость звука заключенного в камере связи газа.

Большое значение при градуировке методом взаимности в замкнутой камере связи имеет акустический передаточный импеданс Z_a,12 всей системы (5.2 и 5.4), который должен быть известен с высокой точностью. На частотах, где длина звуковой волны много больше размеров камеры связи, звуковое давление равномерно распределяется во всей камере и Z_a,12 = Z¢_a,12 определяется эффективным объемом камеры связи, т.е. геометрическим объемом камеры, включая объем передней полости (далее - передний объем) и эквивалентный объем микрофонов (3). На частотах, где длина звуковой волны много меньше по сравнению с размерами камеры, будет существовать волновое движение и трудно получить теоретическое выражение простой формы для передаточного импеданса камеры связи. Уравнение (4) выражает передаточный импеданс Z¢_a,12 цилиндрической камеры связи с диаметром, равным диаметрам мембран микрофонов.

Для других случаев необходимо разработать методы расчета передаточного импеданса. Для них, однако, поправка на волновое движение должна быть определена эмпирически. Практически используют два типа камер связи. Это плосковолновые камеры связи, диаметр которых равен диаметру мембран, и камеры большого объема, объем которых велик по сравнению с передними и эквивалентными объемами микрофонов.

B.1 Плосковолновые камеры связи

Плосковолновые камеры связи имеют диаметр полости, равный диаметру передней полости микрофона. Длина камеры связи, т.е. расстояние между двумя мембранами, должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить плосковолновую передачу, но не такой большой, чтобы вводить поправки на высокочастотные затухания. Рекомендуется использовать камеры связи, имеющие отношение длины к диаметру от 0,5 до 0,75. В таких камерах связи разрешается проводить в воздухе градуировку лабораторных эталонных микрофонов типа LS1P до 10 кГц и типа LS2P до 20 кГц.

Уравнение (4) должно быть использовано для расчета Z¢_a,12, и при этом необходимо определить все факторы, влияющие на Z_a,12, и особенно, с наибольшей точностью, на акустический импеданс микрофонов. Рекомендуемые размеры для плосковолновых камер связи даны в таблице B.1 и показаны на рисунке B.1.

Таблица B.1 - Номинальные размеры плосковолновых камер связи

В миллиметрах

1 - микрофон; 2 - изолятор; 3 - капиллярные трубки

Рисунок B.1 - Эскиз плосковолновой камеры связи

В.2 Камеры связи большого объема

Объем камеры связи большого объема больше объема плосковолновых камер связи, и их размеры выбраны так, чтобы уменьшение давления на мембране из-за радиальных мод частично компенсировалось увеличением давления из-за продольной моды. Оптимальное отношение длины к диаметру, зависящее от глубины передних полостей микрофонов, - 0,3.

Такие камеры связи разрешается использовать в воздухе для градуировки лабораторных эталонных микрофонов типа LS1P вплоть до 2,5 кГц и типа LS2P до 5 кГц при введении эмпирических поправок на волновое движение. Если необходима высокая точность, рекомендуется определять поправку на волновое движение для каждой индивидуально изготовленной камеры связи, поскольку волновая картина в камере очень сильно зависит от ее размеров. Для расчета Z¢_a,12 должно быть использовано уравнение (3) и только для него необходима сумма переднего объема полости и эквивалентного объема микрофона. Рекомендуемые размеры камер связи большого объема даны в таблице В.2 и показаны на рисунке В.2.

Таблица В.2 - Номинальные размеры и допуски для камер связи большого объема

В миллиметрах

1 - микрофон; 2 - изолятор; 3 - капиллярные трубки

Рисунок В.2 - Эскиз камеры связи большого объема

В таблице В.3 указаны типовые поправки на волновое движение для камеры связи большого объема, используемой совместно с микрофоном типа LS1Р. Эти поправки должны быть прибавлены к уровню чувствительности по давлению, определенному для камеры связи, наполненной воздухом, или могут быть введены тогда, когда практические поправки для индивидуальной камеры с микрофонами не определяли. Эти же поправки можно использовать и при заполнении камеры водородом, если частотную шкалу умножить на коэффициент, равный отношению скорости звука в имеющейся концентрации водорода к соответствующей скорости в воздухе.

Таблица В.3 - Поправки на волновое движение в воздухе, определенные экспериментально для камеры связи большого объема, применяемой с микрофонами типа LS1P

ПРИЛОЖЕНИЕ Г
(справочное)

Влияние окружающей среды на чувствительность микрофона

Настоящее приложение дает сведения о влиянии статического давления и температуры на чувствительность микрофона.

Г.1 Общие сведения

Чувствительность конденсаторного микрофона, в основном, обратно пропорциональна акустическому импедансу микрофона. Упрощенно, импеданс микрофона можно представить в виде импеданса мембраны (обычно учитывают ее массу и гибкость), последовательно соединенного с импедансом воздуха в объеме за мембраной.

Импеданс воздуха в объеме за мембраной определяется тремя составляющими:

- тонким слоем воздуха между мембраной и неподвижным электродом, с учетом затухания и массы;

- слоем воздуха в сквозных отверстиях и канавках на неподвижном электроде, с учетом затухания и массы;

- воздухом в полости позади неподвижного электрода, действующим как гибкость на низких частотах и как масса на высоких частотах из-за волнового движения в полости.

Конструкция микрофона определяет относительный вес этих составляющих. Считают, что плотность и вязкость воздуха линейно зависят от температуры и (или) от статического давления. Отсюда вытекает, что импеданс микрофона также зависит от статического давления и температуры. Коэффициенты статического давления и температуры для определения отношения акустического импеданса при опорных условиях к акустическому импедансу при имеющихся статическом давлении и температуре соответственно приведены ниже.

Г.2 Зависимость от статического давления

Как масса, так и гибкость заключенного в полости воздуха зависит от статического давления до тех пор, пока сопротивление можно считать независимым от статического давления. Коэффициент статического давления обычно зависит от частоты, как это показано на рисунке Г.1. Для частот выше чем 0,5f_o (f_o - резонансная частота микрофона) эти частотные изменения сильно зависят от волнового движения в полости за неподвижным электродом. В общем, коэффициент статического давления зависит от конструкции деталей, определяющих форму неподвижного электрода, и объема задней полости (далее - задний объем), и их фактические значения могут сильно отличаться для двух микрофонов разных производителей, хотя микрофоны могут принадлежать к одному и тому же типу, например LS1Р. Поэтому коэффициенты статического давления, данные на рисунке Г.1, нельзя применить для любого микрофона.

Рисунок Г.1 - Примеры зависимости коэффициентов статического давления для микрофонов типов LS1P и LS2P от относительной частоты f/f_o

Низкочастотное значение коэффициента статического давления обычно находится в пределах от минус 0,01 до минус 0,02 дБ/кПа для микрофонов типа LS 1 Р и от минус 0,003 и минус 0,008 дБ/кПа для микрофонов типа LS2P.

Г.3 Зависимость от температуры

Как масса, так и сопротивление воздуха в замкнутой полости зависит от температуры до тех пор, пока гибкость можно считать независимой от температуры. Общая зависимость температурного коэффициента от частоты показана на рисунке Г.2.

Изменения температуры воздействуют как на воздух в замкнутом объеме, так и на механические элементы микрофона.

Изменение температуры вызывает изменение натяжения мембраны и, следовательно, изменение ее гибкости. Это приводит к изменению чувствительности в диапазоне, который контролируется жесткостью, и к небольшому изменению резонансной частоты.

Суммарный температурный коэффициент является линейной комбинацией как влияния изменения импеданса замкнутого объема воздуха, так и влияния изменения механического натяжения. Низкочастотное значение температурного коэффициента обычно находится в пределах ± 0,005 дБ/К как для микрофона типа LS1P, так и для микрофона типа LS2P. Температурный коэффициент, показанный на рисунке Г.2, нельзя применить для любого микрофона.

Рисунок Г.2 - Общий вид зависимости температурного коэффициента от частоты для микрофонов типов LS1P и LS2P, вызванной изменением импеданса замкнутого объема воздуха

ПРИЛОЖЕНИЕ Д
(справочное)

Методы определения параметров микрофона

В настоящем приложении приведены методы определения параметров микрофона, влияющих на акустический передаточный импеданс. Этими параметрами являются глубина и объем передней полости и акустический импеданс микрофона.

Д.1 Глубина передней полости

Глубину передней полости определяют оптическими методами. Глубину можно определить с помощью сканирующего интерферометра, например лазерного, по контуру вдоль диаметра мембраны и внешнего кольца. Такие измерения следует проводить, по крайней мере, для двух перпендикулярных друг к другу диаметров. Другой метод основан на измерении с помощью микроскопа-глубиномера расстояния между точками на верхней части микрофонного кольца и точками на мембране. При этом необходимо провести несколько измерений, распределенных по мембране и по верху кольца.

Д.2 Объем передней полости микрофона с эквивалентным объемом

Объем передней полости микрофона с эквивалентным объемом определяют акустическими методами при опорных внешних условиях.

Испытуемый микрофон вставляют в одно из отверстий камеры связи с тремя входами. В два других отверстия вставляют два конденсаторных микрофона: первый - излучатель, второй - приемник. Измеряют электрический передаточный импеданс между этими двумя микрофонами, подсоединяя к камере связи поочередно испытуемый микрофон и некоторое число полостей с известным объемом, охватывающим действительный объем передней полости микрофона. Объем передней полости вместе с эквивалентным объемом микрофона определяют интерполяцией с измеренными передаточными импедансами.

Возможен вариант использования испытуемого микрофона в качестве микрофона-приемника. При измерении электрического передаточного импеданса необходимо обеспечить большое отношение сигнала к шуму. В этом случае можно использовать либо различное число камер связи известного объема, либо изменение объема получить с помощью некоторого числа калиброванных колец, размещаемых между камерами связи и испытуемым микрофоном. Внутренние диаметры этих колец должны быть равны диаметру передней полости микрофона.

Необходимо отметить, что определяемый обоими методами объем включает в себя эквивалентный объем акустического импеданса мембраны (3.8.1 МЭК 61094-1).