Schall und Sensoren I
Inhaltsverzeichnis
4. Auswahl von Mikrofonen
4.1 Größe
4.2 Antworttyp
4.3 Frequenzgang
4.4 Temperatureigenschaften
4.5 Eigenrauschen
1. Was ist Ton?
Schall (Schallwellen) ist eine Art von Wellen, die sich im Medium (Luft in der Atmosphäre) ausbreiten, und sind Longitudinalwellen (Kompressionswellen), bei denen extrem kleine Partikel (volumetrische Partikel), aus denen das Medium besteht, in der gleichen Richtung wie die Wellenbewegungsrichtung vibrieren , und an dem Abschnitt mit dichten volumetrischen Teilchen ist der Druck höher als der atmosphärische Druck und an dem dispergierten Abschnitt wird er niedriger. Diese Druckänderung gegenüber dem atmosphärischen Druck wird als „Schalldruck“ p bezeichnet und allgemein als Wurzel aus dem Quadratmittel des Schalldrucks (Effektivwert rms) angegeben. Für die Einheit Pascal (Pa) oder Newton pro Quadratmeter (N/m 2 ).) wird genutzt. Der Frequenzbereich des Tons (hörbarer Ton), den Menschen fühlen können, liegt bei etwa 20 Hz bis 20 kHz, und der Bereich des Schalldrucks liegt bei 20 µPa bis 20 Pa, und das Verhältnis des Schalldrucks des kleinsten Tons zum größten Ton beträgt 10 6 . Geräusche sind eine Art von Geräuschen, und Geräusche, die für das menschliche Ohr unangenehm sind, werden speziell als Geräusche bezeichnet. Es wird angenommen, dass der Mensch den Unterschied von Geräuschen anhand der folgenden physikalischen Eigenschaften von Geräuschen hört und beurteilt.
Tonhöhe
Die Tonhöhe eines Tons wird als hoher Ton oder tiefer Ton bezeichnet und ergibt sich hauptsächlich aus der Differenz der Tonfrequenz. Es gibt ein „A“ (ausgesprochen als „aah“) in einer hohen Stimme und ein „A“ in einer tiefen Stimme für die gleiche „A“-Stimme, und dies wird dem Unterschied in der Tonhöhenfrequenz zugeschrieben, obwohl die Form der Schallwelle aussieht gleich, und der Ton mit hoher Tonfrequenz wird hoch gehört und der Ton mit niedriger Tonfrequenz wird tief gehört.
Lautstärke des Tons
Es gibt ein "A" (ausgesprochen als "aah") in einer lauten Stimme und ein "A" in einer kleinen Stimme für die "A"-Stimme der gleichen Tonhöhe, und dies wird hauptsächlich darauf zurückgeführt, dass die Tonwellenform so ist "A" ist ähnlich, aber das "A" in einer lauten Stimme hat große Amplituden und das "A" in einer leisen Stimme hat kleine Amplituden.
Ton und Qualität
Wir können den Unterschied der Art von Musikinstrumenten hören, die in der gleichen Lautstärke und in der gleichen Tonhöhe gespielt werden. Dies liegt daran, dass wir den Unterschied von Klangfarbe und Klangqualität hören, die von den Musikinstrumenten geliefert werden. Der Klangton und die Klangqualität sind bis jetzt noch nicht gründlich aufgeklärt worden, aber es wird angenommen, dass sie einem subtilen Unterschied in der Klangwellenform zugeschrieben werden.
Da der Schall die Eigenschaften einer Welle hat, hat er die Eigenschaften „Reflexion“, „Übertragung“ und „Beugung“ und wird entsprechend der Entfernung gedämpft. Diese Eigenschaften sind unten als Referenz dargestellt.
2. Maßeinheit des Schalls
Bei der Schallmessung werden im Allgemeinen der Frequenzgang und die Lautstärke des Schalls untersucht. Die Frequenz verwendet bekanntlich "Hz" als Maßeinheit. Die Tonlautstärke verwendet die logarithmische Skala, da der Änderungsbereich extrem groß ist. Hinzu kommt das Weber-Hefner-Gesetz, dass „die menschliche Empfindungsintensität proportional zum Logarithmus der Reizgröße ist“ und die logarithmische Skala verwendet wird, weil der Gehörsinn eine der Empfindungsintensitäten ist. Als Einheit der logarithmischen Skala wird Bell(B) verwendet, weil Alexander Graham Bell aus den USA zuerst den Übertragungsverlust der Leistung beim Telefon ausdrückte. Da Bell(B) einen zu großen Wert hat, wird tatsächlich Dezibel (dB) verwendet, was ein Zehntel von Bell ist. Darüber hinaus ist in der Welt des Umgangs mit Schall der "Pegel" wird als Wort verwendet, um den Dezibelwert auszudrücken. Wenn die „Schalllautstärke“ in Dezibel ausgedrückt wird, wird der „Schalllautstärkepegel“ als „ein bestimmtes dB“ ausgedrückt.
Angenommen, der Effektivwert des Schalldrucks eines bestimmten Schalls sei p(Pa) und der Effektivwert des Referenzschalldrucks sei p 0 (Pa), der Schalldruckpegel L p (dB) sei durch die folgende Gleichung gegeben.
Der Referenzschalldruck p 0 beträgt 20 &mgr;Pa im Fall des Schalls in Luft und ist der Wert nahe dem minimal hörbaren Wert für den 1-kHz-Einfachton von Menschen mit normalem Gehörsinn. Die folgende Abbildung zeigt die Beziehung zwischen dem Schalldruck p(Pa) und dem Schalldruckpegel L p (dB), und der Schalldruck von 20 µPa entspricht dem Schalldruckpegel von 0 dB, 1 Pa bis 94 dB und 20 Pa bis 120 dB. Übrigens ist es kein hörbares Geräusch, aber wenn die Druckschwankung 0,1 Atmosphärendruck (etwa 10.000 Pa) beträgt, beträgt der Schalldruckpegel 174 dB.
3. Geräuschsensor
Ein Sensor zum Erfassen von Schall wird allgemein als Mikrofon bezeichnet. Das Mikrofon kann in Übereinstimmung mit dem Unterschied des Umwandlungssystems in dynamischen Typ, elektrostatischen Typ und piezoelektrischen Typ klassifiziert werden. Das dynamische Mikrofon hat immer noch große Nachfrage vor allem in der Musikwelt, während das piezoelektrische Mikrofon vor allem als Mikrofon für Niederfrequenz-Schallpegelmesser umfassend verwendet wird. Für Messungen werden häufig elektrostatische (Kondensator-)Mikrofone verwendet, da sie verkleinert werden können, einen flachen Frequenzgang über einen breiten Frequenzbereich haben und im Vergleich zu anderen Mikrofontypen eine ausgesprochen hohe Stabilität bieten. Der Aufbau des Kondensatormikrofons ist unten dargestellt.Die Kondensatormikrofone sind in zwei Ausführungen erhältlich: Bias-Typ und Back-Elektret-Typ. Der Unterschied besteht darin, ob die Gleichspannung von außen angelegt wird oder anstelle der Spannungsbeaufschlagung eine dauerhaft elektrisch gepolte Polymerfolie verwendet wird. Im Allgemeinen besteht die Eigenschaft, dass der Bias-Typ eine höhere Empfindlichkeit und Stabilität bietet.
4. Auswahl von Mikrofonen
Bei der Auswahl von Mikrofonen sind die folgenden Punkte zu berücksichtigen:
4.1 Größe
Die Größe bezeichnet einen Nenndurchmesser des Mikrofons. Eine Vielzahl von Größen wie 1 Zoll, 1/2 Zoll, 1/4 Zoll und 1/8 Zoll sind verfügbar, aber derzeit ist der 1/2-Zoll-Typ ein Mainstream für Messanwendungen. Wenn die Größe abnimmt, wird das Schallfeld bis zu hohen Frequenzen nicht gestört, was vorzuziehen ist, aber wenn die Größe abnimmt, nimmt auch die Empfindlichkeit ab und es wird schwierig zu verwenden. Im Versuch, der die Störung des Schallfeldes möglichst vermeidet, muss der Typ mit noch kleinerem Durchmesser gewählt werden.
4.2 Antworttyp
Es gibt zwei Typen: Druckfeldtyp und Freifeldtyp. Im Allgemeinen wird der Freifeldtyp verwendet, aber in einem speziellen Fall, in dem Schall innerhalb des Kanals gemessen wird, wird der Druckfeldtyp verwendet.
Wenn das Mikrofon im Schallfeld platziert wird, wird der auf die Membran des Mikrofons ausgeübte Schalldruck P eine Summe (P = P 0 + &Dgr;P 0 ) des Schalldrucks P 0 (Feldschalldruck), wenn das Mikrofon nicht platziert ist vorhanden und ein Inkrement ΔP&sub0 ;, das durch das Anordnen des Mikrofons erzeugt wird. &Dgr; P 0 unterscheidet sich in Übereinstimmung mit der Frequenz und dem Einfallswinkel.
Das Mikrofon vom Schalldrucktyp ist ein Typ, dessen Frequenzgang des Ausgangs gegenüber P 0 + & bgr; flach wird. P 0
Das Mikrofon vom Freifeldtyp ist der Typ, dessen Ausgangsfrequenz gegenüber P 0 des Einfallswinkels 0 (Fronteinfall) flach wird.
Selbst bei Freifeldmikrofonen verschlechtern sich die Eigenschaften im Hochfrequenzbereich, wenn der Einfallswinkel anders als 0º ist, wie aus der Abbildung unten hervorgeht, auf die geachtet werden muss.
4.3 Frequenzgang
Das geeignete Mikrofon ist aus solchen auszuwählen, deren Frequenzgang den für die Messung erforderlichen Bandbereich ausreichend abdeckt und möglichst flach ist. Wenn auch die Reaktion auf hohe Frequenzen erforderlich ist, da befürchtet wird, das Schallfeld zu stören, muss die in Abschnitt 4.1 diskutierte Größe berücksichtigt werden. Wie aus der Abbildung in Abschnitt 4.2 deutlich wird, muss, da der Bandbereich begrenzt ist, in dem der Frequenzgang in dem anderen Bereich als dem, in dem der Frequenzgang flach auf den einfallenden Schall ist, flach ist, auch auf die Positionsbeziehung zwischen dem geachtet werden Tonquelle und das Mikrofon.
4.4 Temperatureigenschaften
Die Temperatureigenschaften sind wichtige Faktoren, die die Mikrofonstabilität beeinflussen. Eine erneute Datenerhebung muss vermieden werden, da die nach schwerer Erhebung erhobenen Daten keine Reproduzierbarkeit aufweisen. In diesem Sinne ist es sicherer, das Mikrofon mit möglichst kleinem Temperaturkoeffizienten auszuwählen. Das Messmikrofon MI-1211 von Ono Sokki.Co.Ltd liefert übrigens -0,007dB/K und das MI-1232 liefert 0,005dB/K, was extrem kleine Werte sind.
4.5 Eigenrauschen
Eigenrauschen ist die Größe des vom Mikrofon ausgegebenen Signals, unabhängig davon, ob ein Ton in das Mikrofon eingegeben wird oder nicht, und wenn dieser Wert kleiner ist, kann sogar ein leiser Ton vom Rauschen getrennt und erkannt werden. Der MI-1211 hat ein Eigenrauschen von 11 dBA, was der weltweit kleinste Pegel für den 1/2-Zoll-Typ ist. Nach Überprüfung all dieser Faktoren muss der für die Messobjekte am besten geeignete Sensor ausgewählt werden. Die Spezifikationen und Informationen nach Anwendungen von Messmikrofonen von Ono Sokki. Co. Ltd. sind in der nachstehenden Tabelle als Referenz zusammengefasst.
Die Schallpegelmesser werden auf dem Informationstisch nach Anwendungen vorgestellt. Denn die Schallpegelmesser sind Messgeräte mit integriertem Mikrofon in der Prozessor- und Anzeigeeinheit und gelten gleichzeitig als einer der Schallsensoren und können zur Analyse und Prüfung der Ausgabe verwendet werden.
Für das nächste Mal wird der „Schallpegelmesser“ als Fortsetzung des Schallsensors diskutiert.