测量和分析一批ECM麦克风的灵敏度

２８－３１.

ＺＥＮＧＪ.ＭｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆａｂａｔｃｈｏｆＥＣＭｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｓ[Ｊ].Ａｕｄｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ４２(２):

中图分类号:ＴＢ５２　　　　　文献标志码:Ａ　　　　　ＤＯＩ:１０.１６３１１./ｊ.ａｕｄｉｏｅ.２０１８.０２.００６

测量和分析一批ＥＣＭ麦克风的灵敏度

曾　健

(四川湖山电器股份有限公司ꎬ四川绵阳６２１０００)

摘要:麦克风测试装置ꎬ利用了麦克风和扬声器的灵敏度特性的关联性ꎬ经过９４ｄＢ校准器的校验ꎬ推导出麦克风灵敏度数值的表达式ꎮ然后ꎬ经过虚拟仪器的测试ꎬ可以获得每个麦克风的原始响应数据ꎬ进而计算出一批麦克风的灵敏度参数ꎬ通过分析参数的概率分布情况ꎬ来帮助评估该参数的批量合格水平ꎮ关键词:测量ꎻ麦克风ꎻ灵敏度

ＭｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆａｂａｔｃｈｏｆＥＣＭｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｓ

(ＳｉｃｈｕａｎＨｕｓｈａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ.Ｌｔｄ.Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０００ꎬＣｈｉｎａ)

ＺＥＮＧＪｉａｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｊｉｇꎬｆｏｒｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｍｅａｓｕｒｉｎｇꎬｕｔｉｌｉｚｅｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｎｎｅｒｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅａｎｄｓｐｅａｋｅｒ.Ｗｉｔｈｔｈｅｍｅｎｔｇｉｖｅｓｒａｗｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｅａｃｈｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｕｎｉｔ.Ｓｏｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｖａｌｕｅｏｆａｂａｔｃｈｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｉｓａｂｌｅｔｏｂｅｐｉｃｋｅｄｕｐꎬｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｕｌｔｓｉｎａｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎬａｎｄｍｏｒｅｏｖｅｒｈｅｌｐｓｔｏａｓｓｅｓｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｌｅｖｅｌｏｆｓｕｃｈｍａｓｓｉｖｅｕｎｉｔｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｅａｓｕｒｉｎｇꎻｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅꎻｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ

ｈｅｌｐｏｆ９４ｄＢｃａｌｉｂｒａｔｏｒꎬｔｈｅｒｅｉｎｄｕｃｅｓａｎｕｍｅｒｉｃａｌｅｑｕａｔｉｏｎｔｏｏｂｔａｉｎｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ.Ａｆｔｅｒｍｅａｓｕｒｉｎｇꎬｖｉｓｕａｌｉｎｓｔｒｕ￣

１　引言

产品使用ＥＣＭ麦克风之前ꎬ需要测试元件性能ꎬ以确保产品合格ꎮ麦克风的灵敏度是需要测量的一个重要参数ꎮ采用自制、合理的测试装置ꎬ经过９４ｄＢ校准器校验ꎬ就可以批量测试ꎬ从而获得灵敏度指标ꎬ并进一步统计该参数的概率分布ꎮ

Ｓｍ＝２０ｌｇＶｏｕｔ－２０ｌｇ其中２０ｌｇ

(单位:ｄＢＳＰＬ)

ｐ

是实际激励声波的大小

２×１０－５

ｐ

＋９４

２×１０－５

(２)

在实际测试时ꎬ需要用一只扬声器来产生激励

声波ꎮ所以ꎬ测试麦克风的灵敏度就与扬声器的特性产生了联系ꎮ

扬声器也有灵敏度ꎬ不同于传统概念[３]ꎬ本文Ｓｄ＝２０ｌｇ

ｐ１

􀅰)(２×１０

－５Ｖｉｎ

２　测量原理

Ｓｍ

麦克风灵敏度[１]的定义式如下:

Ｖ

＝２０ｌｇｏｕｔ

ｐ

(１)

中扬声器的灵敏度(单位:ｄＢＳＰＬ/ｖ)ꎬ其定义如下:

其中ꎬＶｏｕｔ是麦克风的输出电压(单位:Ｖ)ꎬｐ是１ＫＨｚ激励声波下的声压(单位:Ｐａ)ꎬ麦克风灵敏度Ｓｍ的单位是ｄＢｖ/Ｐａꎮ

声学上ꎬ参考声压是２×１０－５Ｐａ[２]ꎬ所以１Ｐａ

或Ｓｄ＝２０ｌｇ式中的２０ｌｇ

声压相当于２０ｌｇ

波不是９４ｄＢꎬ那么ꎬ麦克风的灵敏度就需要校正ꎮ从而灵敏度的定义数值是:

１

＝９４ｄＢꎮ如果激励声

２×１０－５

膜位置)的声压(单位:ｄＢＳＰＬ)ꎬＶｉｎ是激励电信号的电压(单位:Ｖ)ꎮ

由(２)(３)式ꎬ可得Ｓｍ＝２０ｌｇ

Ｖｏｕｔ

－Ｓｄ＋９４Ｖｉｎ

(４)

ｐ

项ꎬ是观测点(麦克风振

２×１０－５

ｐ

－２０ｌｇＶｉｎ

２×１０－５

(３)

２８　

上式中ꎬ２０ｌｇ增益ꎮ

Ｖｏｕｔ

就是输入输出系统的电信号Ｖｉｎ

空间ꎮ当扬声器受到电信号激励时ꎬ振膜运动ꎬ改变了腔室中的空气体积ꎬ空气进行绝热的物态变化过程[３]ꎬ腔体容积发生较小的相对变化ꎬ也会造成声压的显著改变ꎮ而且ꎬ装置中的扬声器ꎬ除了尺寸较小ꎬ还需承受大的声压[２]ꎮ

３　测量装置

图１是输入输出系统的测量装置示意图ꎮ该装置中ꎬ扬声器与麦克风之间形成一个狭小的封闭

图１　麦克风测量装置示意图

　　实际装置如图２ꎮ

图２　麦克风测量装置和一只ＥＣＭ麦克风

由(４)式知ꎬ先获得扬声器灵敏度ꎬ才能换算得到麦克风的灵敏度参数ꎮ

实测时ꎬ采用了ＮＩ虚拟仪器[５]ꎬ该虚拟仪器ꎬ

图３　ＮＩ虚拟仪器校验麦克风的界面

具有麦克风校验功能ꎬ也能测量小信号条件下音频电路系统的传递函数(即:系统的响应特性)ꎮ该虚拟仪器显示的校验界面ꎬ示意如图３ꎮ４)ꎮ

校验时ꎬ用到了９４ｄＢ/１ＫＨｚ信号校准器(如图实际校验时ꎬ任意采用一只相同尺寸的麦克风

(参考麦克风)置于９４ｄＢ校准器口部ꎬ注意密封好ꎮ５)ꎮ

同时ꎬ麦克风必须在正常的偏置电压状态(参考图

图４　９４ｄＢ/１ｋＨｚ信号校准器

２９　

该图显示一共测试了３次ꎬ响应是一致的ꎮ通过读图ꎬ也可以读取测试的原始数据ꎬ得到１ＫＨｚ频率对应的响应幅度ꎬ是９.２ｄＢꎬ该值对应式(４)中的２０ｌｇＶｏｕｔ

项ꎬ据此计算出装置中扬声器在１ＫＨｚ的灵敏度Ｖｉｎ值:

Ｓｄ＝２０ｌｇ

Ｖｏｕｔ

＋９４－Ｓｍ＝９.２＋９４－Ｖｉｎ

ｄＢ

图５　ＥＣＭ麦克风的偏置电路

　　回顾图３ꎬ显示了９４ｄＢ/１ｋＨｚ信号作用下ꎬ参考麦克风输出电压１１.７ｍＶꎬ即灵敏度Ｓｍ＝－３８.６ｄＢꎮ

４　测量装置中扬声器的灵敏度

不再使用９４ｄＢ/１ＫＨｚ信号校准器ꎬ改用图２测试装置ꎬ利用ＮＩ虚拟仪器测试频率响应ꎮ设置好仪器的信号输出水平(小信号ꎬ且满足信噪比要求)ꎬ并保持麦克风偏置电压不变ꎮ在扫频信号激励下ꎬ继续测试先前校验过的麦克风ꎬ获得该装置条件下的响应(如图６)ꎮ

(－３８.６)＝１４１.８

(５)

５　麦克风灵敏度的数值表达式

灵敏度的数值表达式ꎮ

Ｓｍ＝２０ｌｇ

Ｖｏｕｔ

－４７.８Ｖｉｎ

将扬声器灵敏度带回式(４)ꎬ从而得到麦克风

(６)

可见ꎬ采用图３的测量装置ꎬ该ＮＩ虚拟仪器系统测得输入输出信号的增益ꎬ就可以获得同样尺寸的其它麦克风的灵敏度参数ꎮ４７.８ｄＢ即可ꎮ

具体读数时ꎬ只需要将１ｋＨｚ处的增益ꎬ降低

６　麦克风灵敏度测试与分析

通过对一批５０只、标称灵敏度(－３８±３)ｄＢ的麦克风进行测试ꎬ获得了他们的频率响应数据ꎮ参数ꎬ统计分布情况如图７所示ꎮ

图６　测试装置的频率响应

经过数值计算与分析[６]ꎬ这批麦克风的灵敏度

３０　

图７　５０只麦克风的灵敏度分布

数据分析ꎬ得到这批麦克风的灵敏度参数ꎬ分布情况是:平均值:－３７.２３ｄＢꎻ

标准偏差:０.４４ｄＢꎻ

显然ꎬ这５０只麦克风的灵敏度介于－３８.５~－３６ｄＢ之间ꎬ满足(－３８±３)ｄＢ范围ꎬ而且平均值

比标称值高出３８－３７.２３＝０.７７ｄＢꎮ

依据本次测试的样本ꎬ如果批量采用时ꎬ该规格麦克风的灵敏度参数ꎬ其概率分布密度则如图８所示ꎮ

图８　麦克风灵敏度参数的概率密度

７　结语

１００％ꎬ即ꎬ全部合格ꎮ

　　显然ꎬ灵敏度在(－３８±３)ｄＢ的概率是

参考文献:

[１]ＧＢ/Ｔ９４０１－１９８８传声器测量方法[Ｓ].中华人民共和[２]杜功焕ꎬ朱哲民ꎬ龚秀芬.声学基础[Ｍ].第三版.南京:[３]ＧＢ/Ｔ９３９６－１９８８扬声器主要性能测试方法[Ｓ].国家[４]ＳＭＡＬＬＲＨ.Ｃｌｏｓｅｄ－ＢｏｘＬｏｕｄｓｐｅａｋｅｒＳｙｓｔｅｍｓ[Ｊ].Ｊ.[５]ＤＡＱ入门指南[ＥＢ/ＯＬ].ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｎｉ.ｃｏｍ/ｐｄｆ/ｍａｎ￣[６]王梓坤.概率论基础及其应用[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ责任编辑:胡鑫

１９７６:５７－５９.

收稿日期:２０１８－０１－０１

ｕａｌｓ/３７３７３７ｈ＿０１１８.ｐｄｆ.

ＡｕｄｉｏＥｎｇ.Ｓｏｃ.ꎬ１９７２ꎬ２０:７９８－８０８ꎻ１９７３ꎬ２１:１１－１８.技术监督局ꎬ１９９６.

南京大学出版社ꎬ２０１２:１１２－１１３ꎬ１２７.国电子工业部ꎬ１９８８.

灵敏度是麦克风的重要参数ꎬ批量使用前需要进行测试评估ꎮ推导出麦克风灵敏度的数值表达式后ꎬ结合校验数据和装置特性ꎬ得到装置中扬声器的灵敏度数值ꎬ从而简化了麦克风灵敏度的表达式ꎮ在批量测量麦克风的响应后ꎬ很容易通过数值分析来各个得到各个单体的具体参数ꎬ并可以进一步分析该参数的概率分布ꎬ为评估批量采用提供科学的帮助ꎮ

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