Automatyzacja procesu kalibracji mikrofonów pomiarowych

Przeprowadzanie pomiarów akustycznych z wykorzystaniem mikrofonów pomiarowych, zawsze będzie wiązało się z ich kalibracją. Pozwala ona na określenie czułości mikrofonu, zazwyczaj wyrażonej w mV/Pa oraz sprawdzeniu, czy używany zestaw pomiarowy nie uległ uszkodzeniu. W artykule przyjrzymy się różnym metodom kalibracji mikrofonów, skupiając się na ich dokładności, automatyzacji i możliwości wykrycia uszkodzenia mikrofonu.

Kalibrator akustyczny

Klasyczną metodą kalibracji mikrofonu jest użycie kalibratora akustycznego. Urządzenie to generuje wzorcowy bodziec, najczęściej ton sinusoidalny o częstotliwości 1 kHz i poziomie 94 dB lub 114 dB. Kalibrator stanowi referencyjny sygnał, pozwalający na odczyt i zapis w systemie pomiarowym czułości mikrofonu. Metoda ta charakteryzuje się wysoką dokładnością pomiarową, pozwalającą na zarejestrowanie odchyleń wynikających z warunków atmosferycznych w jakich znajduje się mikrofon.

Dodatkową zaletą jest możliwość weryfikacji, ewentualnych uszkodzeń mikrofonu, pozwalając na kontrolę stanu technicznego całego systemu. Takie rozwiązanie jest przydatne szczególnie w przypadkach, długoterminowych pomiarów, w których aparatura mierzy określone sygnały akustyczne w zmiennych warunkach otoczenia lub jest wystawiona na możliwe uszkodzenia, chociażby te spowodowane przypadkowym upadkiem mikrofonu.

Okno kalibracji mikrofonu w oprogramowaniu APx500.

TEDS - Transducer Electronic Data Sheet

Główną wadą, stojącą za kalibracją przy użyciu kalibratora akustycznego, jest manualność tego procesu. Problem ten nie stanowi może utrudnienia w przypadku, systemów wyposażonych w jeden lub kilka mikrofonów, jednak w przypadku zestawów wielokanałowych, posiadających kilkanaście lub kilkadziesiąt mikrofonów, proces ten staje się czasochłonny. Problem ten dodatkowo pogłębia się w przypadku, kiedy mikrofony pomiarowe zamontowane są na wysokości lub w innych trudno dostępnych miejscach.

System pomiarowy silnika odrzutowego w AeroAcoustic Propulsion Laboratory w NASA Glenn Research Center.
Źródło: NASA Glenn Research Center..

Rozwiązanie tego problemu stanowi technologia TEDS, pozwalająca na automatyczny odczyt wartości czułości z mikrofonu, bez potrzeby podawania bezpośrednio żadnego bodźca. Mikrofony wyposażone w TEDS, posiadają wbudowany chip przechowujący informację o numerze seryjnym i czułości mikrofonu. W przypadku kalibracji TEDS, wartość czułości określana jest dla każdego mikrofonu indywidualnie, bazując na pomiarach, wykonywanych w ramach fabrycznej kalibracji. Odczyt zapisanej w chipie czułości, wymaga odpowiedniego interfejsu, dostosowanego do standardu TEDS. Oprogramowanie Audio Precision APx500 wraz z analizatorem APx517 B lub referencyjnym wzmacniaczem APx1701, pozwalają na pełny odczyt informacji w dowolnym momencie scenariusza pomiarowego, oferując dzięki temu możliwość całkowitej automatyzacji procesu kalibracji.

Automatyzacja możliwa dzięki TEDS, jest niewątpliwie procesem przyspieszającym kalibrację, szczególnie w przypadku wielomikrofonowych zestawów pomiarowych. Należy jednak pamiętać, że metoda ta ma swoje ograniczenia. Pierwsze z nich polega na tym, że kalibracja wykonana metodą TEDS, nie wykrywa ewentualnego uszkodzenia mikrofonu, lub kolejnych elementów toru pomiarowego. Dodatkowo zapisana czułości przyjmuje wartość uzyskaną podczas fabrycznej kalibracji. W przypadku nagłych lub długotrwałych zmian warunków atmosferycznych w których pracuje mikrofon, wartość czułości może różnić się od tej zmierzonej przez producenta. Obie wady wymagają więc okresowego sprawdzenia za pomocą konwencjonalnego kalibratora akustycznego.

SysCheck2

Problemy związane z pasywnym podejściem technologii TEDS, zostały rozwiązane w najnowszym systemie od GRAS. Technologia SysCheck2 pozwala na aktywną kontrolę wartości rejestrowanych przez mikrofon, co w konsekwencji, umożliwia wykrycie uszkodzeń w całym łańcuchu pomiarowym i rejestrowanie zmian w czułości mikrofonu, wywołanej zmianami warunków atmosferycznych. Nowe mikrofony wspierające funkcję SysCheck2, zostały wyposażone w przetwornik DAC z wbudowanym generatorem, pozwalający na podanie wzorcowego bodźca o częstotliwości 250 Hz na membranę mikrofonu. Sygnał jest następnie rejestrowany, umożliwiając porównanie go z referencyjną wartością czułości. Porównanie to może odbyć się w trzech zakresach dokładności 0,3 dB, 0,5 dB i 0,8 dB, dopasowując wymagania względem przeprowadzanego pomiaru. Wygenerowany sygnał pozwala również w sposób aktywny, sprawdzić stan techniczny całego toru pomiarowego: mikrofonu, przewodów, analizatora, usprawniając proces wykrycia ewentualnych usterek.

Dodatkowo mikrofony z funkcją Syscheck2, zostały wyposażone w rejestrator warunków środowiskowych, zapewniając pomiar wilgotności, temperatury i ciśnienia atmosferycznego. W przypadku Syschech2 cała procedura kalibracji wykonuje się w sposób automatyczny, z możliwością, rozpoczęcia jej w dowolnym momencie scenariusza pomiarowego. Jest to szczególnie istotne w przypadku długotrwałych pomiarów, podczas których aparatura pomiarowa narażona jest na przypadkowe uszkodzenia lub zmienne warunki środowiskowe. Rejestracja danych wymaga odpowiedniego interfejsu wspierającego technologię SysCheck2. Najnowsza wersja oprogramowania APx500 7.0, wspiera technologię SysCheck2, pozwalając na bezpośredni pomiar przy pomocy analizatora APx517 B, wzmacniacza APx1701 lub zasilaczy mikrofonowych GRAS.

Porównanie procedór pomiarowych

Tabela 1 - porównanie możliwości poszczególnych procedur pomiarowych

Dobór odpowiedniego procesu kalibracyjnego jest niezmiernie ważny w celu optymalizacji przeprowadzanych pomiarów. Kalibracja pojedynczych mikrofonów bez problemu może odbyć się przy użyciu kalibratora akustycznego, natomiast automatyzacja tego procesu, będzie niewątpliwym plusem w przypadku systemów wielokanałowych lub tych, w których mikrofony umieszczone są na wysokości lub w innych trudno dostępnych miejscach.

Robert Maćkowiak

Masz pytania lub potrzebujesz doboru rozwiązania kontrolno-pomiarowego?