マイクロホンハンドブック: タイプ、コンポーネント、テスト

人間の耳で感知できる空気、水、その他の媒体での圧力の変化は、「音」とみなされます。音響学は、音の科学または研究です。通常、音は音楽などの形では耳に心地よく、不快な音は「騒音」とみなされます。健康な人が聞き取れる音の範囲は、20～20,000 Hzです。設計技術者にとっては、人間の耳で聞き取れる周波数を超える音圧レベル (SPL) も非常に重要です。振動と可聴音の研究では、騒音、振動、ハーシュネス (NVH) が考慮されます。振動は、粒子または弾性固体の平衡点における急速な線形運動、あるいは気圧レベルの変動を表すものです。

ハーシュネスは、過渡周波数または衝撃の処理を意味します。通常、騒音を除去する処理が施されますが、特定の周波数の音や振動を増大させるよう設計された製品もあります。人が聞き取れる周波数範囲外の、物体によって生成される音や物体が受け取る音、また共振周波数に影響する振幅は、設計者にとっては製品の性能と耐久性を考慮する上で非常に重要です。マイクロホンを使用してNVH、つまり音の測定を行うことができます。

周囲に空気がある状態で物体が振動すると、物体の表面で空気の分子が振動し始め、さらにその近隣の分子が振動し始めます。この振動は、音源によって決定される周波数と振幅で、振動圧力として空気を伝わります。人間の鼓膜がそれらの圧力の振動、つまり音を電気信号に変え、それが脳で音楽や話し声、雑音として認識されます。マイクロホンは、人間の耳のように、圧力振動を電気信号に変換する構造をしており、私たちはこれを記録、解析して振動の音源や音源からマイクロホンまでの音の経路についての情報を得ることができます。このしくみは、騒音低減材質のテストなどで利用されます。音が発する圧力は、周囲の部材を保護するだけではなく、繊細な人間の耳を保護するために、設計段階で解析する必要があります。マイクロホンは、人間の耳のように、非常に広域な振幅に対応するよう設計されています。通常、振幅はデシベル (dB) 、周波数はヘルツ (Hz) で測定されます。

マイクロホンは、音響エネルギーを電気エネルギーに変換します。マイクロホンの構造には、いくつかのタイプがあります。最も一般的なものはカーボンマイクロホン、外部偏極コンデンサマイクロホン、偏極エレクトレットコンデンサマイクロホン、磁気マイクロホン、圧電マイクロホンです。

カーボンマイクロホン

カーボンマイクロホンは、低コストな設計です。音響トランスデューサとしては、非常に品質が劣ります。カーボンマイクには、エンクロージャが内蔵され、その中に炭素粉をゆるく充填しています。エンクロージャの両端には抵抗を測定する電気接点を配置します。音響信号の音圧をマイクロホンにくわえると、炭素粉が互いに接近します。音圧によって炭素粉が互いに押し付けられると、抵抗が小さくなります。この抵抗の変化を測定し、出力します。カーボンマイクは、初期の電話のヘッドホンなどで使用されていました。

コンデンサマイクロホン

コンデンサマイクロホンは、容量性を持つ構造をしています。コンデンサマイクロホンのカートリッジは、基本的な変換原理によって音圧をキャパシタンスの変化に変換します。キャパシタンスの変化はさらに電圧変化に変換されます。それを可能にするために、薄く小さいダイアフラムを、「バックプレート」と呼ばれる固定された金属板からごくわずかな距離を離して設置します。 バックプレートに電圧を印加して、コンデンサを形成します。振動圧力がかかると、ダイヤフラムが移動し、バックプレートとの距離が変化します。これにより、元の圧力振動に比例した振動電圧がコンデンサから生成されます。

外部偏極型、偏極型、およびICP®マイクロホン

バックプレート電圧は、2通りの方法で生成されます。1つは、外部偏極型と呼ばれる外部電源を使用する方法です。これは古くから使用されている設計で、電源は200 Vです。もう1つは、偏極型と呼ばれる新式の方法です。偏極型では、電荷を蓄える分子を含む「エレクトレット」をバックプレーンに取り付けて偏極します。この設計をアンプ内蔵方式 (ICP^®) 回路と組み合わせると、非常に効果的です。この方式では、高価な外部偏極電源が不要で、安価な定電流電源を使用できます。また、LEMO 7ピンコネクタ/ケーブルではなく、BNCまたは10-32コネクタの標準的な同軸ケーブルを使用できます。長い同軸ケーブルを使用しても、信号が劣化することがありません。最新の偏極マイクロホンは安価で使いやすいため、試験場でのテストや測定、フィールドでの用途で多く使用されるようになってきました。

磁気マイクロホン

磁気マイクロホンはダイナミックマイクの一種です。磁気誘導の原理に基づいて移動コイルが使用されています。これは、ワイヤのコイルを薄いダイヤフラムに取り付けるシンプルな設計です。コイルは、音圧がかかると移動します。ワイヤが磁界の影響を受けると、コイルの動きによって音圧に比例する電圧が生じます。

圧電型マイクロホン

圧電マイクロホンには、石英または人工セラミック結晶が使用されます。これらは、永久分極を表し、ICP^®設計と組み合わせることができる点でエレクトレットに類似しています。このようなセンサタイプのマイクロホンはレベルに対する感度が非常に低いものの、耐久性が高く、高振幅 (デシベル) の圧力範囲を測定することができます。一方、フロアノイズレベルは通常、非常に高くなります。このタイプのマイクロホンは、衝撃/送風圧力測定に適しています。

試験/計測の分野では、コンデンサマイクロホンが最もよく使用されます。以下のセクションでは、コンデンサマイクロホンの使用を前提として説明します。

マイクロホンの部品

前のセクションで説明したように、コンデンサマイクロホンは試験/計測向けの設計として最も一般的です。以下の図は、マイクロホンのコンポーネントのダイアグラムです。

図1:  マイクロホンのコンポーネント

• 保護グリッド―マイクロホンのダイヤフラムを保護し、周波数応答の最終調整を行います。 
• ダイヤフラム―コンデンサのプレートの1枚として機能し、音声の振動によってプレート間の距離が変化します。 
• バックプレート―空気圧の変化によってダイアフラムがバックプレートに近づいたり遠ざかったりすると、電圧が変化するように所定の位置にとどまります。
• ケーシング―マイクロホンを収容します。
• 絶縁体―不要なノイズ、周囲音、音波の反射を低減します。

音響計測器を選択する前に、特定の用途において製品が適合するべき規格があるか確認する必要があります。これらの規格は、法律面または品質保証面で満たすべき品質、確度、安定性を決定する指針となります。サウンドレベルメータ、キャリブレータ、マイクロホン、その他の関連する測定コンポーネントには、それぞれ規格があります。音響コンポーネントの性能、寸法、特性に関する規格は無数にあります。最も一般的な標準化団体は、米国規格協会 (ANSI) と国際電気標準会議 (IEC) です。

ANSI S1.4は、ANSIのサウンドレベルメータに関する標準規格です。これはサウンドレベルメータの仕様を定めており、1983年に作成され、1995年に現在使用されているS1.4Aへと改定されました。ANSI S1.43は1997年に積分平均サウンドレベルメータの標準規格として作成されました。

IEC 60942は、サウンドキャリブレータの規格です。サウンドキャリブレータの規格には、3つのクラスがあります。そのうち実験室標準 (LS) は最も厳しい規格です。LSクラスは、許容差が最も厳しく、実験室でのみ使用するキャリブレータ向けに作成されています。クラス1計測器およびクラス2標準は、実用的な現場で使用されます。クラス1キャリブレータとクラス2キャリブレータの違いは、併用するサウンドレベルメータによります。クラス1キャリブレータは、クラス1サウンドレベルメータと併用します。クラス2キャリブレータは、クラス2サウンドレベルメータと併用します。

IEC 61094はコンデンサマイクロホンを対象としています。実験所で基準マイクロホンとして使用される標準マイクロホンの外形寸法と電子音響特性の仕様を定めています。これらのコンデンサマイクロホンは、相互法での一次標準キャリブレーションにおいて他のマイクロホンの確度を決定付けるため、高確度でなければなりません。IEC 61672は、60651と60804に取って代わるものです。61672は、サウンドレベルメータの電子音響の性能の標準規格を定めています。標準規格は、騒音暴露レベルを測定する非常にシンプルな組込サウンドレベルメータから、時間平均サウンドレベルを測定するサウンドレベルメータ、特性時間重み付きサウンドレベルを測定する従来型のサウンドレベルメータまで各種に対応しています。各サウンドレベルメータは、これらの測定のうち1つ、すべて、またはいくつかをサポートします。サウンドレベルメータには2つのクラスがあります。標準規格は、同じ設計特性に基づいていますが、許容差と操作温度仕様が異なります。クラス1またはクラス2に適合するためには、マイクロホンの特定の周波数応答は、1つの音場における1音源1方向の音、もしくはランダム入射による音である必要があります。クラス2の許容差は、クラス1標準よりも大きく設定されています。

一般的に使用される分類はタイプ0～2で、マイクロホンシステムの許容差と確度を定義しています。これらの標準規格はサウンドレベルメータを対象としており、マイクロホンカートリッジやプリアンプなどのシステムコンポーネントを監視する際に一般的に使用されます。タイプ0は、実験室用の基準です。フィールド計測器の環境要件を満たすためには必要とされませんが、他のマイクロホンのキャリブレーションやテストに使用されるため非常に正確であるマイクロホンに対して使用します。タイプ1は、実験室およびフィールド用です。タイプ1の標準は、非常に正確で頑強なマイクロホンを対象としています。過酷な環境における高確度で信頼性の高い音響測定に使用します。このタイプは、研究や設計分野のエンジニアによく使用されます。タイプ2マイクロホンの標準は、規定が緩く、適合することは困難ではありません。タイプ2は一般的に使用されるマイクロホンを対象としています。これらのマイクロホンは高周波数応答を持たず、カートリッジ熱雑音レベルが低く、前述の2つのタイプのような確度を必要としません。測定確度が重要ではない場合は、この安価なマイクロホンを使用できます。

一部のメーカは、マイクロホン、プリアンプ、フィルタを特定のタイプとして指定したり、特定の規格への適合を求める場合があります。標準に適合するためには、1つのコンポーネントだけではなく、システム全体を適合させる必要があります。PCBは、各コンポーネントを標準の仕様以上になるように設計するため、設置時に各コンポーネントの許容差をすべて加味してもタイプ1の標準に適合するはずです。上記の標準規格に関する詳細については、各団体に問い合わせてください。各団体は、質問への対応や、適切な標準規格ドキュメントの送付を行っています。

マイクロホンを選定したら、対応するプリアンプと補助装置を決定して設置する必要があります。必要なケーブル、電源、信号調節デバイス、データ収集デバイスを特定します。テスト専用システムではこれらのコンポーネントがすべて必要であるとは限りません。図6は外部偏極型システムの一般的な構成を示しています。

図6:  外部偏極型の構成

図7は偏極型システムの構成を示しています。

図7: 偏極型の構成

偏極型のコンポーネントは、外部偏極型の構成でも使用できます。偏極型マイクロホンには、外部電源マイクロホン用に設計された電源とプリアンプの供給電圧を0に設定して使用することができます。

音響テストの目的には、新製品の設計、製品の監視、予知保全、個人的な騒音に対する自衛など、さまざまなものがあります。マイクロホンを使用する音響研究は、たとえば以下のような目的で行われます。

研究と製品設計

過度の音圧は、製品や人の聴覚を害する可能性があります。マイクロホンは、表面にかかる音圧レベルを測定するものです。音圧によって壁の表面が剥がれたり、航空機翼が破損する場合もあります。音の測定は、戸の開閉、クラッチの噛み合い、始動装置の影響、サンルーフの雑音研究など、さまざまな目的で行われます。車内でのエンジン雑音、電化製品が発する音などの解析は、製品の寿命を伸ばしたり、外部に発散される雑音を最小限に抑え、ユーザの快適性を高めるために行われます。

予防保守 

サウンドレベルの増加や周波数の変化は、製品が正常に動作していない可能性を示唆しています。モータ、ギア、ベアリング、刃、その他の工業コンポーネントはすべて、正常に動作していない時、デシベルレベルや周波数が変化する場合があります。このような場合、高確度マイクロホンを使用して製品に問題があるかどうかを確認したり、コンポーネントの故障を予知することができます。

聴力キャリブレーション

大学、政府、企業は、聴覚試験/研究プロジェクトを行うための音声テスト装置を備えています。これらのテスト装置は、マイクロホンによるテストおよびキャリブレーションによって、確度を確認します。

規格準拠

マイクロホンテストの記録は、製品の音圧レベル検証や、法的な用途に使用することができます。企業は、設計段階で音圧レベルを証明するために高確度マイクロホンテストを行います。たとえば、マイクロホンをサウンドレベルメータに対して使用して、工場の雑音が国家標準規格に適合しているかを確認できます。

環境騒音解析

特定の音圧レベルの音を一定の時間聞き続けると耳を痛める恐れがあります。たとえば、工場、空港、高速道路の騒音などがその例です。音響テストによって、これらの環境におけるサウンドレベルを調査し、必要な調整を行って人体への害を防ぐことができます。自動車業界では、高確度マイクロホンによる「きしみ音・ガタツキ音」テストによって、車内の騒音防止に努めています。

複数チャンネルテスト

音響ホログラフィと音圧マッピングでは、マイクロホンが多用されます。グリッド上に配置された複数のマイクロホンによって、エンジンやタイヤ周囲のさまざまな場所での音圧の違いを測定することができます。ゾーンごと、またはスペクトルごとの計算が可能です。これは、地震活動の監視、衛星の監視、自動車や工場の騒音源の特定などに応用できます。マイクロホンによって、基本的な波動方程式を使用して2次元の複素音圧情報を3次元の音響場に変換し、表面での音の強さや放射パターンを示すことができます。

アレイマイクロホンは自由音場マイクロホンで、複数チャンネルの音測定を安価に行うことができます。このアレイマイクロホンによって、近距離音場ホログラフィ (NAH) 測定が現実的なものとなります。アレイマイクロホンを、2次元マッピング測定を行うよう配置します。130D20と130D21には、組込マイクロホンとプリアンプがあります。ICP^®回路が組み込まれた130シリーズは、偏極マイクロホンを使用し、定電流信号調節デバイスによって電源供給されます。130シリーズは、377シリーズの廉価版です。130シリーズは、周波数応答に対しては高確度であり、傾向把握には最適ですが、温度の変化に左右されやすく、dB測定では高確度コンデンサマイクロホンである377シリーズよりも確度が劣ります。

図8. 複数チャンネルアレイ

マイクロホンは、適切に扱えば長期間安定した性能を維持します。マイクロホンのコンポーネントは繊細なため、不適切な取り扱いによって損傷する恐れがあります。ダイヤフラムは非常に薄い特殊素材で作られているため、ほこり、汚れ、湿気、損傷 (傷、へこみなど) から保護する必要があります。 グリッドキャップは実際の音圧レベルを通すよう設計されています。グリッドキャップは、ダイヤフラムに何も触れないように保護するためにのみ使用されています。そのため、極力取り外さないようお勧めします。また、マイクロホンは、日頃から清潔に保ち、湿気から保護していれば、掃除は特に必要ありません。グリッドキャップを取り外してマイクロホンダイヤフラムを掃除する必要が生じた場合は、柔らかい綿棒にアルコールを少量つけてふき取ってください。掃除後は、アルコールが完全に乾いてからマイクロホンの電源を投入してください。マイクロホンのダイヤフラムには、指や鋭利な物体が触れないように注意してください。

ウィンドスクリーンや乾燥剤などを使用すると、マイクロホンを湿気から保護して感度レベルを維持することができます。また、ノーズコーンを使用すると、音圧レベルに影響することなくマイクロホンダイヤフラムを乱流から保護できます。

ほこりや汚れは、マイクロホンだけではなく、プリアンプの性能を損なう恐れがあります。マイクロホンの背面やプリアンプの接続部分の内部に汚れやほこりが付着した場合は、ラバーバルブによってクリーンで乾燥した風をユニットに吹き付けてほこりを飛ばしてください。

テスト準備中は、マイクロホンとプリアンプを接続したままにしてください。使用しない時は、メンテナンスキャップを被せて保護ケースにしまってください。マイクロホンとプリアンプは、適切に手入れすることで長い期間安定した高い性能を維持することができます。

マイクロホンのユーザが使いやすさやコスト節約を求めていることから、マイクロホンの研究と開発でもそれらの分野が重視されています。その結果、さまざまなタイプの偏極型マイクロホンが市場に出回り始め、ユーザは従来型のマイクロホンに代わり、それらの新しく多様な製品から選択できるようになりました。

近距離音場ホログラフィ (NAH) の需要の高まりに合わせて、メーカは多チャンネル向けのマイクロホンアレイの開発だけではなく、補助装置の改善にも力を入れるようになりました。固定式またはリニアガイド式のアレイグリッドの需要は、ますます高まっています。それにより、大規模な入力とデータ出力を処理するための、新しい音圧マッピング用ソフトウェアシステム、大規模チャンネル信号調節ユニット、読み出し装置とデータ収集装置の開発も進んでいます。

高度なサウンドレベルメータは、工業分野や健康関連の測定の両方で非常によく使用されるようになりました。エンドユーザは、持ち運びに便利で簡単に使える製品を求めています。これらの製品は、電池式のハンディタイプのユニットで、使用時に組み立てる必要がありません。これらの便利な製品群の売り上げは常に伸びています。今後は、特定の用途向けのソフトウェアシステムと新製品の充実が見込まれます。

TEDS (トランスデューサ電子データシート) は、多チャンネルテストや安定した高確度な結果の必要性が高まるに伴って需要が増えています。このシステムを使用すると、マイクロホンのグループの中から特定のマイクロホンを探すことができるため、多数のマイクロホンを容易に管理できます。また、TEDSシステムによって、各マイクロホンおよびプリアンプのデータストレージ、キャリブレーション履歴情報、物理特性を簡単に確認できます。ソフトウェアメーカおよびデータ収集デバイスメーカは、このテクノロジを活用した製品の開発に力を注いでいます。

概して、消費者は音圧レベルを正確に測定でき、簡単に手早くセットアップしてデータを記録できる小型の製品を求めています。また、コストの節約も重要な要素です。メーカは、消費者に最良の価値を提供するべく、新製品の開発を進めています。