使用麦克风测量声音

什么是声压

声音​是​指​通过​介质​（空气、​液体​或​其他​能​被人​耳​所​感知​的​介质）​传播​的​压力​波动。压力振荡/声音经由耳膜转换成电子信号传播到人脑，人脑接收到信号，根据信号特征识别出音乐、演讲、噪声等不同的声音形式。麦克风的作用机制与耳膜一样。您可以录制和分析这些信号，从而采集声音从声源到麦克风的传播途径特征信息。例如，在噪声、振动、声振粗糙度测试过程中，工程师通常希望减少不希望有的声音，如减少行车中影响乘客舒适度的声音。这些声音可以是人耳能听到的频率范围之内或之外的声音，亦或是在​某​个​共振​频率​时​的​声音​幅​值。对于需要减少噪声来满足排放标准，或需要对设备的性能和使用寿命进行特性分析的设计工程师来说，这些测量至关重要。

人类生活在充满声音的世界中，人耳能感知到周围的声压，因此声压测量是一种常见的测量类型。声压级表示接收者感知到的声音强度，以帕斯卡(Pa)表示。我们也可以测量声源的声功率。声功率级反映声源向四周辐射的总能量大小，以瓦(W)表示。它不受空间、接收者或与声源距离等环境因素的影响。功率是声源的一个属性，而声压则受​环境、反射​面、声源与接收者的距离、环境声音等因素的影响。

使用麦克风测量声音

设计麦克风时，有多种方案可供选择，但外部极化电容式麦克风、预极化驻极体电容式麦克风、压电式麦克风是几种最常用的仪表麦克风。

图1.麦克风是将声音波形转换为电信号的换能器。

电容式麦克风

电容式麦克风是基于电容设计的一种麦克风。其中包含的金属振膜可作为电容的基板。紧靠振膜的金属盘可作为背板。声场触发金属振膜后，两个基板之间的电容可随声压的变化而变化。通过高电阻向基板施加稳定的直流电压，使电荷保留在基板上。电容的变化会导致交流输出随声压的变化而变化。预极化麦克风可基于外部极化电压或材料本身的属性对此电容充电。外部极化麦克风需要外部电源提供200V的供电电压。预极化麦克风由需要恒流电源的IEPE前置放大器供电。

图2. 最常用的仪表麦克风是采用电容设计的电容式麦克风。

压电式麦克风

压电式麦克风采用晶体结构来生成背板电压。许多压电式麦克风采用与加速度计相同的信号调理机制，有些也使用IEPE信号调理来提供极化电压。虽然这种传感器类型的麦克风灵敏度低，但持久耐用，可测量高振幅声压。不过，这种麦克风的​背景​噪声​级别​通常​较​高。这种设计适用于冲击压力、爆破压力测量应用。

选择合适的麦克风

在选择理想的麦克风时，应考虑响应场类型、动态响应、频率响应、极化类型、所需灵敏度和温度范围。也有各种专门针对特定应用的特殊麦克风。在选择和指定麦克风时，需要考虑的首要标准是应用以及声音和环境所代表的意义。

关于麦克风组件和设计的更多详情，请参阅麦克风手册。

将麦克风响应场纳入考量

选择麦克风时必须考虑其运行的响应场类型。测量麦克风分为三个类型：自由场麦克风、压力场麦克风和扩散场麦克风。这些麦克风在低频环境下的工作原理相似，但在高频环境下却截然不同。

最常用的麦克风是自由场麦克风。自由场麦克风测量的是麦克风振膜处单个声源直接发出的声压。这类传感器测量的是麦克风进入声场之前存在的声压， 最适合没有较硬表面或反射面的开阔区域。因此，消音室或较开阔场所是使用自由场麦克风的理想之所。

图3. 自由场麦克风

压力场麦克风用于测量振膜前方的声压。它在场内任何位置的幅度和相位均相同，其​波长​相对​较​小，​常见​于​密​闭​空间​或​腔​体​体内。压力场麦克风应用范例包括墙体抗压测试、机翼压力测试，以及管子、胶体、腔体等内部结构的压力测试。

图4. 压力场麦克风

在某些情况下，声音并非仅来自一个声源。无规入射/扩散场麦克风对不同方位同时传来的声音作出统一响应。这类麦克风适用于测量在教堂或其他具有坚硬反射性墙体的区域的声音。但对于大多数麦克风，压力场和无规入射响应是相似的，因此压力场麦克风通常也用于无规入射测量。

图5.无规入射麦克风

选择正确的动态范围

描述声音的主要标准是基于声压波动的振幅。人耳能感知到的最低声压振幅是百万分之20帕斯卡(20 μPa)。声压可用帕斯卡来表示，但数值通常比较小且不便管理，因而常用分贝(dB)作为计量单位。这个对数比例可较准确地描述人耳对声压振动的反应。以下是一些供参考的典型声压级范例：

制造商根据麦克风的设计和物理特性来规定最大分贝值。最大分贝值是指振膜趋近于背板的声压，或总谐波失真(THD)达到指定值（通常是3% THD）。在特定的应用环境中，麦克风生成的最大分贝值取决于提供的电压和特定麦克风的灵敏度。在使用特定前置放大器及其对应的峰值电压计算出麦克风的最大分贝输出值之前，我们需要先算出麦克风能承受的最大声压级（单位为帕斯卡）。可通过下列公式计算声压值：

其中P = 帕斯卡(Pa)，电压为前置放大器的输出峰值电压。

确定了麦克风峰值电压时的最大声压级之后，便可通过下列计算公式将声压级转换成分贝值(dB)：

其中P是以帕斯卡表示的压力

P_o = 参考声压（常数，即0.00002 Pa）

通过该公式可得出麦克风与特定前置放大器配合使用时可测量的最大额定值。如需确定所需的最小噪声级别或声压，可参阅麦克风的模块热噪声(CTN)评级标准。CTN规范提供了可检测到的最小声压值，该值高于麦克风的固有电子噪音。图6显示了在不同频率下，麦克风与前置放大器配合使用时的典型噪声级别。

图6.声压等于麦克风量程的上下限时，固有噪声级别最大。

选择麦克风时，必须确保所测的压力值介于麦克风的CTN值和最大额定分贝值之间。总而言之，麦克风的直径越小，分贝值上限越大。直径较大的麦克风的CTN值通常较小，因此常用于低量程分贝测量。

根据规格参数评估频率响应

 

确定了所需的麦克风场响应类型及动态范围后，可参阅麦克风规格参数来确定可用的频率范围(Hz)。直径较小的麦克风的上限频率通常较高。反之，直径较大的麦克风的灵敏度更高，而且更适用于低频检测。

 

制造商一般将频率的容差设置为±2 dB。比较不同麦克风时，一定要检查不同麦克风的频率范围以及特定频率范围的容差。如果应用要求不高，并且增加的分贝容差在允许范围内，便可扩大麦克风的可用频率范围。您可与制造商确认或参照特定麦克风校准表，确定特定分贝容差对应的实际可用频率范围。

 

 

极化类型选择

 

传统极化麦克风和新式预极化麦克风适用于大部分应用环境，但这两者之间也有差异。外部极化麦克风的灵敏度更符合120 °C到150 °C的高温度范围，因此在高温环境中建议使用外部极化麦克风。而预极化麦克风更适用于潮湿环境。温度骤变会使内部组件冷凝，导致外部极化麦克风短路。

 

由于外部极化麦克风需要200 V的独立电源，因此在配置时只能选用7针电缆和LEMO连接器。新型预极化麦克风通过2-20 mA的恒流电源供电，便于使用，因此更受欢迎。 在这种设计下，您可结合使用标准同轴线缆与BNC或10-32同轴连接器，为读取设备提供电流和信号。

 

 

了解温度范围

当环境温度达到麦克风最大规定温度时，麦克风的灵敏度就会下降。我们需要综合考虑麦克风的各种运行温度和存储温度。极端条件下的运行和/或存储会对麦克风产生负面影响，因而校准要求会不断增加。在大多数情况下，必需的前置放大器是工作温度范围的制约因素。尽管120 °C的高温环境对大多数麦克风的灵敏度没有影响，但这些麦克风所需的前置放大器的工作温度范围却通常只有60 °C到80 °C。

针对特定应用使用专用麦克风

当温度成为问题时，可使用探头麦克风作为替代解决方案。探头麦克风专为恶劣环境下的声压测量而设计。它将麦克风和探头延伸管结合在一起。这使得用户能够非常接近声源。探头尖端将声波信号发送到位于探头外壳内部的麦克风。如果将一些关键组件放置在单独的保护壳内，这种麦克风类型将可用于极高温应用，或应用到由于声源入口太小导致常规电容式麦克风无法进入的地方。

有些应用需要麦克风完全浸没水中，这些应用也存在着诸多挑战。水听器用于探测水下声压信号，采用耐腐蚀设计，可完成工业和科学应用所需的水下测试、监测和测量。不同的型号具有不同的灵敏度、频率、分贝值和工作深度。

声级计由制造商设计，可提供一种快速便捷的方式来获取声压级读数。该设计包含了获取声压读数所需的所有组件。这种小型手持装置包含麦克风、前置放大器、电源、软件和显示器，是在工业环境中进行dB测量的不错选择，适用于社区噪声评估、噪声暴露测量、炮兵声测及许多其他应用。声级计可提供许多选项，包括A加权、实时分析仪和软件选项。

如果需要捕获涉及声音大小和方向的测量数据，声强探头是一个理想的选择。取两个相位匹配的麦克风，并在它们之间放置一个隔板，这样不仅可以知道声压级，还可以知道传播声波的速度和方向。不同尺寸的隔板可用于测量不同频率下的粒子速度。通常频率越高，需要的隔板越小。大垫片适用于较低的频率和存在混响的情况。

对于近场声全息(NAH)应用，由于需要研究三维场值，建议采用阵列麦克风配置。将多个阵列麦克风以预定的模式隔开，并将它们与适当的软件组合，就能通过复杂声压场的空间变换来有效地绘制声能量流。因而阵列式麦克风是高通道数声学测试的理想选择。对于阵列，推荐使用换能器电子数据表(TEDS)，因为它们能够帮助用户快速轻松地识别特定的麦克风。这些TEDS芯片和软件使用户能够存储麦克风型号、序列号、校准日期以及麦克风灵敏度、电容、阻抗等参数的信息，这些信息可以下载，有助于确保准确的测试结果。

室外麦克风经过精心设计，能够承受恶劣的工作环境。机场和高速公路因其环境噪声而成为声学测试和测量的热门场所，目的是为人员提供安全保障。环境麦克风和室外麦克风为内部组件提供不同级别的保护，同时仍能够保持高精度。

麦克风的信号调理

在选择要使用DAQ设备进行测量的麦克风时，需要考虑以下几点，以确保满足您所有的信号调理要求：

• 放大，可提高测量精度和信噪比
• 电流激励，可为IEPE传感器的前置放大器供电
• 交流耦合，可消除直流偏置、提高分辨率，并充分利用输入设备的整个量程
• 滤波，可去除外部高频噪声
• 正确接地，可消除不同接地电位之间的电流产生的噪声
• 动态范围，可测量麦克风的完整振幅范围

为了更好地了解麦克风测量所需的测量硬件和软件处理，请下载精确传感器测量工程师指南。

将麦克风连接至NI硬件

在了解了传感器或测试需求后，就需要决定采集数据所需的硬件。采集硬件的质量决定了所采集数据的质量。 

NI提供各种声音和振动硬件来采集声音数据，且可兼容各种IEPE传感器。  

如需确认NI声音和振动设备与IEPE传感器、麦克风等之间的兼容性，请参阅IEPE传感器的激励和合规电压指南。如果使用前置放大器，NI声音和振动硬件仍然会工作，但信号特性可能会改变。因此需验证前置放大器的输出是否在声音和振动硬件的输入范围内。同样，对于非IEPE传感器，请确保传感器输出与设备输入功能兼容。