Калибровка микрофонов и шумомеров в свободном поле в мини безэховых акустических заглушенных камерах

Введение

Высокая точность результатов акустических измерений является критически важным критерием у компаний, занятых производством и аттестацией различной акустической техники. Высокие требования, предъявляемые в данной сфере, имеют далеко идущие последствия для технических, финансовых и юридических решений. Именно поэтому калибровка используемого акустического измерительного оборудования является одной из основных и обязательных процедур для этих компаний.

Представленный в статье метод калибровки является по сути фундаментальным, поскольку является единственным методом, в котором применяется тип звукового поля, на котором основаны стандартизированные требования к шумомерам (звуковым анализаторам спектра).

Методы калибровки

Измерительные микрофоны, шумомеры и анализаторы спектра – это приборы высокой точности (класса 1 или даже 0), характеристики которых должны подтверждаться путем калибровки и/или поверкой метрологической службой (государственными региональными центрами стандартизации, метрологии и испытаний (ЦСМ), производителем устройств для измерения и контроля звукового давления или метрологическим отделом пользователя).

Кроме того, каждый такой прибор должен проходить периодическую калибровку / поверку после длительного периода использования, например, каждый год или каждый второй год в зависимости от программы и методики поверки или калибровки. Стандарты для шумомеров и микрофонов, такие как ГОСТ Р 53188.3-2010, ГОСТ 8.153-75, IEC 61672 и прочие методики для калибровки различных типов изделий специального назначения в общем требуют, чтобы у каждого шумомера (или его измерительного микрофона) была как можно более идеальная всенаправленная (сферическая) характеристика и как можно более плоская (линейная) характеристика кривой чувствительности в свободном поле, на основе которой могут быть построены любые дополнительные частотные характеристики взвешивания (например, взвешивание по частотам A (А-взвешивание), анализ октавных полос и треть-октавных полос).

Объектом калибровки может быть отдельный измерительный микрофон, чувствительность (коэффициент передачи) которого определяется в зависимости от частоты. Однако, если необходимо калибровать полноценный звуковой шумомер или иное специальное устройство с измерительным микрофоном и встроенным индикационным дисплеем, целью калибровки будет являться настройка его общей чувствительности так, чтобы его показания соответствовали уровню звукового давления, которому подвергается устройство в целом.

Для калибровки подобного оборудования в лабораторных условиях применяются в основном два типа приборов:

• Пистофон, специальный прибор для проверки и калибровки микрофонов, который используется как генератор шума, обеспечивающий фиксированный уровень звукового давления, обычно 124 дБ и одну частотную точку 250 Гц.

• Акустический калибратор или ответвитель (один или несколько уровней и частот, обычно включая 94 дБ на 1 000 Гц).

Эти устройства отлично подходят для повседневной процедуры калибровки. Однако они не подходят для проверки оборудования в свободном поле в широком диапазоне частот и уровней звукового давления. Такой тип измерений допустимо проводить только в специализированных лабораторных условиях при обеспечении нормируемого уровня фонового шума и свободного поля.

Таких условий можно добиться только при правильном проектировании и сборке безэховой (полностью заглушенной) акустической камеры и применении точного измерительного оборудования. Только при комплексном подходе возможно достичь низких погрешностей измерений в соответствии с руководством и различными методиками по измерениям.

Система акустической калибровки в свободном поле от IAC Acoustics

На рисунке ниже представлена блок-схема системы, разработанной компанией IAC Acoustics.

Данная система работает по методу сравнения, где эталонный микрофон и испытуемый объект одновременно или друг за другом подвергаются воздействию одного и того же акустического сигнала. Таким образом, чувствительность эталонного микрофона, используемого в качестве рабочего (опорного) стандарта, сравнивается с чувствительностью объекта, который подлежит калибровке.

Очевидно, что метод непосредственного сравнения, при котором эталонный микрофон и испытуемый объект подвергаются одному и тому же звуковому сигналу одновременно, не гарантирует истинных условий свободного поля, поскольку любой объект искажает звуковое поле другого объекта отражениями.

По этой причине обычно применяется метод замещения, при котором эталонный микрофон и объект, находящийся на испытании, ставятся в точно такое же место в звуковом поле один за другим. Необходимая высокая стабильность возбуждения звука обеспечивается частыми повторными испытаниями (проводится повторное тестирование одного и того же объекта). Таким образом можно добиться создания свободного поля в необходимом диапазоне частот, которое будет ограниченно только геометрическими размерами камеры, а также применяемой технологией шумоизоляции и звукопоглощения. Поэтому выбор правильной конструкции камеры и применяемых материалов должны быть согласованы со специалистами и иметь подтвержденные лабораторными испытаниями протоколы измерения шумоизоляции модульных ограждающих конструкций (График 1) в третьоктавных полосах от 50 Гц до 8000 Гц (пол, стены потолок и двери) согласно ISO 140 / ISO 717 / NRC ASTM C423-90A и коэффициента поглощения звукопоглощающего материала (ЗПМ) согласно ISO 10534-1 (т.е. определение частоты среза ЗПМ при котором подтверждается минимальное частотное значение на котором коэффициент звукопоглощения материала не ниже 0,99) в диапазоне от 50 до 240 Гц в импедансной трубе (График 2).

График 1 – Сравнение материалов, применяемых для создания безэховых камер

График 2 – Пример КЗП Metadyne c частотой среза 50 Гц

Такой тщательный подход в выборе материалов необходим для создания свободного звукового поля плоских прогрессивных волн, которые обеспечивают идеальную среду без отражающих поверхностей или препятствий, а также гарантированный уровень фонового шума внутри, который должен быть на 10-15 дБ ниже измеряемого объекта, а также обеспечивать свободное поле согласно Таблице 1.

Внешние габаритные размеры и конструкция могут варьироваться в зависимости от объекта контроля и типа калибровки. Камера применяется как специализированный модульный инструмент калибровки и является испытательным оборудованием согласно ГОСТ Р 8.568, которое должно быть аттестовано для работы в диапазоне частот от 250 Гц до 20 кГц. Частота среза камеры (величина, при которой выполняются условия свободного поля согласно ГОСТ ISO 3745-2014 для полностью заглушенной камеры) составляет до 50 Гц.

Однако, компактная заглушенная камера гораздо менее затратна, чем большая универсальная безэховая камера с кабельным или решетчатым полом. Более того, такая специальная камера облегчает создание практически идеальных условий свободного поля без отражений от оборудования и других объектов, поскольку единственными элементами внутри комнаты являются источник звука (динамик) и объект, подлежащий калибровке, с держателем.

В зависимости от бюджета и назначения в конструкции могут быть применены различные типы звукопоглощающих материалов (ЗПМ): IAC Acoustics Metadyne, Microdyne, Macrodyne.

Заключение

Специалисты компании 2TEST помогут в подборе безэховых акустических камер для калибровки акустических инструментов любого типа и размера в соответствии с техническими требованиями заказчиков. Помещения могут поставляться в собранном виде или собираться на месте.

Как правило, типовые габаритные размеры компактных заглушенных камер для калибровки микрофонов и точечных объектов составляют примерно 2x2x2,4 метра и менее, рабочий диапазон частот – от 250 Гц до 20 кГц (от 50 Гц до 250 Гц с уменьшенной точностью, так как условия ободного поля не выполняются). Типичная неопределенность измерений составляет ±0,5 дБ от 250 Гц до 1,6 кГц, ±0,6 дБ от 1,6 кГц до 8 кГц, ±0,8 дБ до 20 кГц (для звуковых уровнемеров добавляется 0,1 дБ).

С помощью увеличения габаритных размеров камеры и клиньев можно создавать полноценные заглушенные камеры для калибровки и измерения звуковой мощности и шума различных машин и других объектов.

Свяжитесь с нами по телефону +7 495 215-57-17 и получите подробную консультацию по техническим характеристикам продукции IAC Acoustics, условиях ее эксплуатации и вариантах применения или отправьте заявку на электронную почту info@2test.ru.