使用麥克風量測聲音

什麼是聲音壓力

聲音是指透過媒介 (無論是空氣、水還是人耳可感知到的其他媒介) 傳播的壓力變量。人的耳鼓會將壓力震盪或聲音轉換為電力訊號，人腦在接收到這些訊號後會將其解譯為音樂、話語、噪音等。麥克風便是仿效這樣的運作方式來設計。您可以將這些訊號錄製下來並進行分析，以收集聲音從來源傳遞至麥克風之間所經過的路徑本質資訊。例如，在噪音與振動 (NVH) 測試中，工程師通常想要減少常人不希望有的聲響，像是車內乘客在行駛期間聽見的噪音。這些噪音可能包括頻率高於或低於人耳可感知到的聲音，或是特定共振頻率下的振幅。假如設計師需要減少噪音以符合噪音排放標準，或需要進行裝置效能與使用壽命等特性分析，這些量測值就非常重要。

聲音壓力是最常見的量測值，因為人類無時無刻都暴露在聲音之中，也可以感知到聲音壓力。聲壓準位是用來呈現接收者感知到的聲音，以巴斯卡 (Pa) 為量測單位。您也可以判斷來源的聲音功率。聲音功率準位是用來呈現往四周放射出去的總聲響能量，以瓦特 (W) 為量測單位。這股能量不受房間、接收儀或是與來源的距離等環境因素影響。功率是來源屬性，聲音壓力則是取決於環境，可反映表面、接收者距離、環境聲音等。

使用麥克風量測聲音

設計麥克風時，您有多種不同選項，但是最常見的樂器麥克風是外部極化電容式麥克風、前置極化駐極體電容式麥克風與壓電式麥克風。

圖 1.麥克風是一種傳感器，可將聲波轉換為電子訊號。

電容式麥克風

電容式麥克風是透過電容設計運作。它利用伸展金屬隔膜來構成一片電容器，置於隔膜旁邊的金屬碟片則當做背板使用。音場觸發隔膜之後，兩塊背板之間的電容會依據聲音壓力中的變量而出現變化。透過高電阻將穩定的 DC 電壓傳送到背板上，可以確保背板上的電荷不流失。電容變化會產生與聲音壓力等比例的 AC 輸出。此電容中的電荷可由外部極化電壓或材質本身性質來產生，如同前置極化麥克風所應用的原理。外部極化麥克風需要 200 V 外部電源。前置極化麥克風則由 IEPE 前置放大器提供電源，而該放大器需要穩定的電流來源。

圖 2. 最常見的樂器麥克風是透過電容設計運作的電容式麥克風。

壓電式麥克風

壓電式麥克風使用水晶結構來產生背板電壓。許多壓電式麥克風使用與加速規相同的訊號處理方式，而且可能使用 IEPE 訊號處理方式來提供極化電壓。雖然這些感測器類型麥克風具有低靈敏度準位，但是卻非常耐用，而且能夠量測高振幅壓力範圍。反之，此類型麥克風的水平噪音準位一般來說則很高。此設計適用於衝擊與爆破壓力等量測應用。

選擇正確的麥克風

如要選出最佳的麥克風，請考慮響應場類型、動態響應、頻率響應、極化類型、所需靈敏度，以及溫度範圍。此外，還有多種適合特定應用的專業型麥克風。為了能具體選出適合的麥克風，首先要考量的條件就是應用範圍，以及聲音與環境所呈現的內容。

如需麥克風相關元件與設計的詳細資訊，請見麥克風手冊。

考慮麥克風響應場

您必須依據作業音場類型，選擇最適合的麥克風。三種量測麥克風類型分別是自由音場、壓力音場與隨機入射音場。這些麥克風在較低頻率下運作方式類似，但在較高頻率時則不同。

最常見的麥克風是自由音場麥克風。自由音場麥克風會直接對著麥克風隔膜，量測單一來源的聲音壓力。自由音場麥克風還可量測該音場之前有過的聲音壓力。 這些麥克風在沒有堅硬面或反射面的開放式區域能發揮最大效果。無回音室或較大的開放式區域最適合自由音場麥克風使用。

圖 3. 自由音場麥克風

壓力音場麥克風主要用來量測隔膜前方的聲音壓力。不管在音場的任何位置，它都具備相同強度與相位。這類麥克風經常運用在封閉空間或腔室內，其波長也相對較小。壓力音場麥克風應用範例包括測試施加在牆壁、飛機機翼或是管線、外殼或凹洞之類內部結構的壓力。

圖 4. 壓力音場麥克風

在許多狀況下，聲音不會從單一來源傳播過來。隨機入射或擴散音場麥克風會一致地回應同時來自四面八方的聲音。當您在教堂，或是環境中具有堅硬且可反射聲音的牆壁時，就可以使用這類型麥克風來量測聲音。但對大多數麥克風來說，壓力與隨機入射響應非常相似，因此壓力音場麥克風經常應用於隨機入射量測。

圖 5. 隨機入射麥克風

選擇正確的動態範圍

描述聲音時，主要依據聲音壓力波動振幅條件。健康人耳可偵測到的最低振幅為 2,000 萬分之 1 巴斯卡 (20 μPa)。巴斯卡所代表的壓力數字通常很低且不易管理，於是便發展出另一個較常用的刻度，亦即分貝 (dB)。這種對數刻度更能代表人耳對於壓力波動所產生的響應。以下列舉幾個一般聲音壓力準位範例供作參考：

製造商會依據麥克風的設計與物理特性，指定其最大分貝準位。指定最大 dB 準位指的是隔膜接近背板的點，而總諧波失真 (THD) 通常會在 3% THD 時到達指定的音量。麥克風在特定應用所產生的最大分貝準位，取決於提供的電壓與該特定麥克風的靈敏度。在您使用特定前置放大器計算麥克風的最大輸出功率及其相對應的峰值電壓時，首先您需要計算麥克風可接受的巴斯卡壓力。您可以使用下列公式計算壓力值：

其中 P = 巴斯卡 (Pa) 而電壓是前置放大器輸出峰值電壓。

決定了麥克風在峰值電壓狀態下可感知的最大壓力準位之後，您就可以使用下列對數刻度將此值轉換為分貝 (dB) 單位：

其中 P = 巴斯卡壓力

P_o = 參照巴斯卡 (常數 = 0.00002 Pa)

此公式可算出與特定前置放大器合併使用的麥克風，所能量測的最大準位。在低音噪音準位上 (或為所需的最低壓力值)，您需要檢查麥克風的盒式熱雜訊 (CTN) 準位。此 CTN 規格提供超出麥克風固有電流雜訊，可被量測到最低聲壓準位。圖 6 顯示搭配前置放大器一起使用的麥克風，在不同頻率下的雜訊準位。

圖 6.在麥克風較高與較低輸出功率下，此固有雜訊會呈現最大準位。

選擇麥克風時，您必須確認所測試的壓力準位落在麥克風 CTN 與其最大分貝準位之間。一般來說，麥克風直徑越小，高音分貝準位越大。直徑較大的麥克風通常會有較低的 CTN，因此適合進行低音範圍分貝量測。

檢視規格以評估頻率響應

 

在考慮所需的麥克風音場響應與動態範圍類型之後，請檢視麥克風的規格表以找出可用的頻率範圍 (Hz)。直徑較小的麥克風通常具有較高的高音頻率準位。反之，直徑較大的麥克風會較靈敏，比較適合用來偵測低音頻率。

 

製造商會在頻率規格上註明 ±2 dB 的公差。比較麥克風時，請務必檢查頻率範圍，以及和該特定頻率範圍相關聯的公差。如果應用程式的要求並不高，只要您願意增加可允許的分貝公差，就能提升麥克風的可用頻率範圍。您可以洽詢製造商或是查閱特定麥克風校準表，判斷特定分貝公差內實際可用的頻率範圍。

 

 

決定極化類型

 

傳統外部極化與現代前置極化麥克風都適用於大多數應用，但兩者之間確實存在一些差異。外部極化麥克風適合應用在高溫環境 (120 °C 至 150 °C)，因為其靈敏度準位在此範圍內較穩定一致。前置極化麥克風在潮濕環境下效能較穩定一致。驟然變化的溫度在麥克風內部元件造成冷凝現象，可能會造成外部極化麥克風短路。

 

由於外部極化麥克風需要個別提供的 200 V 電源，因此您在此環境中只能使用 7 導體配線及 LEMO 接頭。較新型的前置極化麥克風使用簡便的 2–20 mA 穩定電流，因此越來越受歡迎。 透過這項設計，您可以使用 BNC 標準同軸電纜或 10-32 接頭，同時對讀出裝置供電與傳輸訊號。

 

 

了解您的應用溫度範圍

麥克風靈敏度會在溫度接麥克風最大規格時降低。除了作業溫度，您還需要注意麥克風存放溫度。在極端環境下操作與/或存放麥克風，會對其造成不良影響並增加其校準需求。在許多狀況下，必要的前置放大器可能是作業溫度範圍的限制因素。雖然大多數麥克風可以在 120 °C 條件下作業而不會喪失靈敏度，但這類麥克風所需的前置放大器通常只能在 60 °C 至 80 °C 溫度範圍內作業。

針對特定應用使用專業麥克風

如果應用會考慮到溫度因素，建議可以改用探針麥克風。探針麥克風可在嚴苛環境下量測聲音壓力，它將麥克風與探針延長管結合在一起，而這種設計可讓使用者盡可能靠近聲音來源。量測時，探針尖端會將聲音訊號傳送至探針機殼內部的麥克風。這類麥克風將部分重要元件設置在另一個機殼中，因此可用於極高溫的應用，或是一般電容式麥克風無法觸及的聲音來源。

有些應用需要將麥克風完全浸入水中，這類應用也有許多不同的挑戰。水聽器主要用於偵測水下的聲音壓力訊號。工業級與科學性水下測試、監控與量測等作業，皆仰賴這種具有耐腐蝕設計的產品。這類產品也有根據不同靈敏度、頻率分貝準位與作業深度，提供各種款式可選用。

聲級計是由製造商專門設計，可供使用者以簡便快速的方式取得聲音壓力準位讀數。這種設計包含了取得聲音壓力讀數所需的所有元件。這種小型手持式裝置包含麥克風、前置放大器、電源、軟體與顯示器。此類裝置非常適合用於進行工業環境的 dB 量測、評估社區噪音，以及砲火量測等諸多應用。聲級計也提供多種選項，例如 A 加權、即時分析儀與軟體等。

如果在量測時需要擷取聲音的振幅與方位，則建議使用聲音強度探針。這類裝置具有 2 個相位相符的麥克風，且中間還有墊片阻隔，因此使用者不僅可以辨別壓力準位，還可以辨別傳播聲波的速度與方位。針對不同頻率的粒子速率量測，也有不同大小的墊片可供選用。一般量測的頻率越高，所需用到的墊片越小。大型墊片適用於更低的頻率，以及現場有迴響的情況。

如果是要研究 3D 音場數值的近場聲音全像術 (NAH) 應用，則會建議使用陣列麥克風配置。此類裝置採用多個陣列麥克風並按照預定的樣式分隔開，再搭配適當的軟體後，就能投射出複合聲音壓力音場的空間轉換結果，進而有效對應聲音能量流。陣列麥克風非常適合用於高通道數的聲音測試。選購陣列麥克風時建議可以考慮傳感器電子資料表 (TEDS)，因為此功能可讓您輕鬆快速地找出特定的麥克風。這些 TEDS 晶片與軟體能讓您儲存有關麥克風機型、序號、校準日期等資訊，以及麥克風靈敏度、電容、阻抗等規格，這些資料皆可下載且有助於確保您獲得準確的測試結果。

戶外麥克風的設計主要就是用於嚴苛的環境。為了保障人們的安全，現在越來越多人會對機場噪音或高速公路車流聲進行測試與量測。環境麥克風與戶外麥克風針對內部元件提供不同程度的保護，同時又能保有高準確度的規格。

麥克風訊號處理

在準備麥克風以便由 DAQ 裝置正確量測時，您需要考慮到下列事項，以確保符合所有訊號處理需求：

• 透過放大電流來增加量測解析度，並提升訊噪比
• 透過電流激發，為 IEPE 感測器中的前置放大器供電
• 透過 AC 偶合去除 DC 偏移以增加解析度，同時善用完整的輸入裝置範圍
• 透過濾波來移除外來的高頻雜訊
• 透過合適接地去除不同接地電位之間的電流雜訊
• 透過動態範圍量測麥克風的完整振幅範圍

如欲更加熟悉進行麥克風量測必備的量測軟硬體，請下載「準確量測感測器工程師指南 (Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements)」。

將麥克風連接至 NI 硬體

了解自己的感測器或測試需求後，接下來就必須決定用於收集資料的硬體。擷取硬體的品質好壞，決定了收集資料的品質。 

NI 提供一系列歷經精心設計的聲音與振動硬體，可擷取聲音資料，並相容於各種 IEPE 感測器。  

為確認 NI 聲音與振動裝置以及 IEPE 感測器、麥克風等的相容性，請參考 IEPE 感測器的激發與合規電壓指南。如果有使用前置放大器，NI 聲音與振動硬體仍可正常運作，但訊號特性可能會改變。請確認前置放大器的輸出是在聲音與振動硬體輸入範圍內。同理，如果使用的是非 IEPE 感測器，請確認感測器輸出符合裝置輸入功能。