MÄTMIKROFONER!

Hur funkar tekniken bakom bra hifi?

Moderator: Redaktörer

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-16 15:59

mikrofoner.jpg
mikrofoner.jpg (429.45 KiB) Visad 2220 gånger
1 tums mic.jpg
1 tums mic.jpg (277.57 KiB) Visad 2220 gånger
DEN HÄR TRÅDEN SKALL BARA HANDLA OM MÄTMIKROFONER OCH MÄTMIKROFONTEKNIK.

Bakgrund
I alla år jag varit medlem på faktiskt.io har det kommit upp frågor om mätmikrofoner och mätmikrofonteknik.
Tyvärr är det svårt för gemene man att få en övergripande insikt genom att goolgla och titta på Youtube. Lite djupare, samlad, information hittar man oftast inom forskning, standardisering och från vissa leverantörer och ”helhetsgreppet” blir svårt/diffust.

Min bakgrund
Mitt intresse för mätmikrofoner började i samband med högskolestudier och påföljande arbete som ”laboratorieingenjör” inom akustik och antennteknik på en högskola utomlands. Därefter hade jag i ett eget företag med PA utrustning och högtalare för elgitarr/elbas.
Sedan blev mätmikrofoner/mätteknik helt enkelt en hobby då jag hamnade i ”nasarbranchen” (försäljning/marknadsföring//säljutbildning/test och utvärdering av sälj och säljledning)
Numer är jag pensionär och ”frilansare” i ledningen för ett högtalar/förstärkarföretag med fokus på elbasutrustning.
Jag har fokuserat på Bruel&Kjaers (BK:s) mätmikrofoner då företaget har den absolut bredaste erfarenheten (sedan 1950-talet). Har dock ägt en GRAS och en Earthwork samt givetvis en massa experimenterande med Panasonic WM61a. Nedan blir det alltså mycket BK referenser men det mesta är allmängiltigt.

Vilket fokus?
Säkert 99% av alla mätningar med mätmikrofon handlar om vad vi kallar för buller. Oftast används ”vägning” med mål att definiera en ljudmiljö för människan.
Denna tråd handlar dock bara om det som är intressant för en hifinörd d v s ljudtryck, frekvensgång, rikningskaraktäristik och distorsion.
Jag kommer att blanda upp text med lite bilder för att få det lite roligare och som stöd för min text.

VAD ÄR EN MÄTMIKROFON?
Vi börjar med det mest basala. En mätmikrofon skall fungera som en transducer, d v s översätta ljudtryck till en väldefinierad elektrisk signal som därefter går att bearbeta.
Mätmikrofoner är undantagslöst tryckkännande (tryckgradient) kondensatormikrofoner. Antingen ”äkta” kondensatormikrofoner som kräver extern polarisationsspänning eller elektretmikrofoner med polariserat membran. Detta är den ”elektriska” skillnaden.
Funktionen är oerhört enkel – ett membran och en bakplatta som bildar en kondensator. När membranet utsätts för dynamiskt tryck förändras avståndet till bakplattan och därmed kapacitansen.
Detta är alltså själva mikrofonen (mikrofonkabseln) men den måste kompletteras med en mikrofon(för)förstärkare då impedansen är mycket hög.
Elektretmikrofoner har vanligtvis inbyggd förstärkare (impedansomvandlare) i kapseln, typ Panasonic WM61. Dock elektretmikrofoner från Bruel&Kjaer, GRAS m.fl. har en separat mikrofonkapsel.
Kondensatormikrofoner har oftast separat mikrofon(för)förstärkare som medför stor flexibilitet för olika mätapplikationer. Mikrofonkapseln skruvas på på förstärkaren som då bildar en enhet och i dagligt tal då blir då ”mätmikrofonen”. Skälet är mikrofonkapseln höga impedans och belastningsimpedansen från mikrofon(för)förstärkaren ligger på över 10Gigaohm och en kapacitans på under 1 pF. Det går alltså inte att ha några sladdar mellan kapsel och mikrofon(för)förstärkare.
BK:s vanliga standarmikrofon(för)förstärkare som heter BK2669 har 15Gohm och 0,45pF. Utgången har 25ohm och kan leverera över 35volt RMS, då vid extrema ljudtryck. Den ger alltså en väldigt robust signal som tål långa kablar, svåra miljöer, etc.
En elektretkapsel, med den inbyggda FETransistorn, av typ Panasonic WM61 har en utimpedans någon kohm och en utsignal på max någon volt.

[img][attachment=0]mikrofoner.jpg[/img]

Den undre bilden visar:
Överst: ½ tums mikrofongaller – mikrofonkapsel – mikrofonförstärkare
Därefter monterad ½ tums mikrofon
Därefter monterad ¼ tums mikrofon med ¼ tums mikrofonförstärkare, integrerad kabel.
Till vänster 2st Panasonic WM61a kapslar
Nederst: 1/4 tums mikrofongaller – mikrofonkapsel – adapter ½ till 1/4tum – 1/2tums mikrofonförstärkare.


UNDERTYPER AV MÄTMIKROFONER
Det finns i grunden 3 olika typer av mätmikrofoner:
- Free field. D v s en mikrofon för ett ”fritt ljudfält” från EN riktning, Motsvarande ekofritt rum eller gate:ad mätning för att undertrycka t.ex väggreflektioner. Teoretiskt är då mätmikrofonen en teoretisk punkt i ljudfältet och stör då inte ljudfältet.
- Pressure field. D v s en mikrofon som är anpassad för kaviteter/hålrum där våglängden är väsentligt större än hålrummets fysiska mått. T.ex mätning på hörlurar där örat/hörselgången till övervägande del är ett pressure field.
- Diffuse field. D v s en mikrofon som skall ta upp ljud från alla riktningar. Det finns ingen tydlig definition i detta sammanhang då inga mikrofoner har en riktigt omni-karaktär. Typisk applikation är mätning av trafikbuller.
För hifi-nörderi gäller alltså Free field mikrofoner, även för våra rumsmätningar då vi lyssnar i en riktning, huvudet åt ett håll. Då är mätning med ½ tums mic egentligen bäst då den efterliknar hörseln bäst (minst sämst) men i praktiken är detta oväsentligt för vettig utvärdering.

Alla 3 mikrofontyper är lika, mäter rätt, i alla typer av ljudfält så länge mikrofondiameter och skyddsgaller inte påverkar ljudfältet. För en ½ tums mic sker påverkan av mikrofonens fysiska mått över 1- 2 kHz. För 1/4tums det dubbla, t.ex för de flesta vanliga elektretmikrofoner.

Då har vi klarat av det mest grundläggande! Finns intresse blir det ”fördjupning” i kommande inlägg.

Avslutningsvis en bild , den övre bilden, på en 1 tums mikrofonkapsel jämfört med en ¼ tums. Det är lite svårt för ögat att förstå hur stor storleksskillnad det är!
¼ tums mic:en på ett radergummi för att få någorlunda fokus.

Kommentera gärna!
(Fattar inte hur man spränger in bilder i text....)
Senast redigerad av jansch 2023-02-16 16:13, redigerad totalt 1 gång.

Användarvisningsbild
petersteindl
Der Eiermann
 
Inlägg: 39703
Blev medlem: 2007-04-17
Ort: Härnösand

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav petersteindl » 2023-02-16 16:11

Bra inlägg! Fortsätt gärna.

Mvh
Peter
VD Bremen Production AB + Ortho-Reality AB; Grundare av Ljudbutiken AB; Fd import av hifi; Konstruktör av LICENCE No1 D/A, Bremen No1 D/A, Forsell D/A, SMS FrameSound, Bremen 3D8 m.fl.

Användarvisningsbild
DQ-20
Skum fogare
 
Inlägg: 8579
Blev medlem: 2003-12-03
Ort: ografi

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav DQ-20 » 2023-02-16 16:36

Vi är nog flera som nästan gör på oss i stugorna av all dansk mikrofongladporr och sitter i spänd förväntan på uppföljaren. Gärna något om olika typer av kalibrering också.

/DQ-20
I try to change the formality and everything about it
People killing people for a reason
You make mistakes
You don't regret
So make a conclusion
.

- Infected Mushroom: Change the formality

Maarten
 
Inlägg: 3819
Blev medlem: 2003-05-25
Ort: Göteborg

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav Maarten » 2023-02-16 16:47

Sjovt! Snygg start och spännande att se vad som följer. Önskar att den om möjligt utmynnar i praktiskt användbara råd eller riktlinjer.
sb17nbac till alla!

JM
 
Inlägg: 4817
Blev medlem: 2011-08-13

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav JM » 2023-02-16 16:53

Relatera gärna till hur vi hör och hur olika filtreringar skall efterlikna hörandet med fokus på olika mikrofoners och olika filtreringarnas begränsningar.
Skall leta fram B&Ks bok jag fick på KTH och uppdatera mina fragmentariska kunskaper för att hänga med.
Väntar med spänning på nästa inlägg.

JM
Neuroscientist. Emotional Beauty is in the Ear of the Listener. "Kill your darlings" => scientific evolution.

Användarvisningsbild
sammel
 
Inlägg: 2018
Blev medlem: 2013-11-17
Ort: Oskarshamn

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav sammel » 2023-02-16 19:03

Mycket bra Jansch.
Tack för mycket intressant tråd.
Min anläggning Nätverksspelare - Azur 851N. DSP - OpenDRC-DA8. Slutsteg CVA 535. A800.
XLI 2500. Hembyggda högtalare med SB acustic, Satori o BMS element
https://freesound.org/home/

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-16 22:26

Tack alla ni som tycker det är kul med mätmikrofonnörderi!

Skrev lite mer idag men det måste redigeras. Faktiskt.io medlemmar är ju kritiska och känsliga för ormolja - vilket jag uppskattar.

DQ- 20,
Visst kommer det att bli dansk mikrofon-gladporr på högsta nivå. D v s "I Hifi nördens tecken" (händerna på täcket....)

MacBruce
 
Inlägg: 3603
Blev medlem: 2007-10-29

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav MacBruce » 2023-02-16 22:58

petersteindl skrev:Bra inlägg! Fortsätt gärna.

Mvh
Peter


Plus på den!
Antropomorfiera mera!
Det är skönt att kunna tekniken. — TfA.
Medlem av ABC-klubben, http://www.abc.se

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-17 13:27

Mätmikrofoner del 2
Tack för alla glada tillrop! Dock, jag tänkte trötta ut er med mycket mer mikrofonteori innan det är dags för lite roligare, jordnära spörsmål. Detta just p g a att teorin ger de flesta svaren på alla praktiska frågor. Har man förkunskap om teorin förstår man vad som händer och varför istället för att bara acceptera ”att det är så”.
Mätmikrofoner är tyvärr aldrig ideala. Allt handlar om fysikens lagar i form av mekanik, akustik, ellära och naturens påfund.

Mekanik
Man kan säga att en mikrofon är en ”omvänd” högtalare men det blir inte riktigt rätt. En högtalare har sitt primära arbetsområde i det massakontrollerade området, d v s över resonansfrekvensen, medan en kondensatormikrofon arbetar i det fjäderkontrollerade (styvhetskontrollerade) området, d v s under resonansfrekvens. Enklast kan man beskriva det med att fjäderkontrollerade området är det motstånd man känner när man med fingrarna trycker ner en högtalarkon.
En mätmikrofon har heller ingen fjädrande kantupphängning utan membranet rör sig som ett idealiskt trumskinn. ”Riktiga” mätmikrofoner har ett spänt membran medan enklare elektretmikrofoner har ett membran som ”hålls fast” i ytterkanten, det medför att resonansen blir knappt märkbar alltså Q-värdet blir lågt. Fördelen med spänt membran är att man kan styra resonansen och dämpningen/Q-värdet, dock ju hårdare spänt desto lägre utsignal. Mer om det senare.
Varför då ett ”trumskinn”? Jo det visar sig att ett sådant membran, om det utsätts för ett över ytan jämnt ljudtryck, alstrar knappt några övertoner (distorsion) utan svänger bara med en nod.
Man skall dock ha klart för sig att ett mikrofonmembran bara rör sig bara några nanometer vid 90-100 dBSPL, oerhört lite jämfört med membranets storlek. Därför påverkas inte utsignalen så mycket av t.ex olinjär fjädring i membranmaterialet som i fallet med högtalare.
Det kommer att vara lite mer mekanik senare….

Akustik
Som vanligt ställer våglängden till det på olika sätt. En frifältsmikrofon skall ju mäta utan att störa ljudfältet. Så länge våglängden är väsentligt större än membranets storlek (läs mikrofonens fysiska diameter) kommer inte mikrofonen störa ljudfältet (Ungefär som en stolpe i större vågor inte stör men krusningar på vattenytan störs definitivt – fysiken är fantastisk, går att tillämpa utan undantag!).
Vid korta våglängder kommer då ljudtrycket att öka på membranet och känsligheten/frekvensgången kommer då att stiga. Enkelt uttryckt – Luftmolekylerna hinner inte smita förbi innan det är för sent. Annars kan man förklara det lite mer ur våglära-perspektiv, med kantdiffraktion osv, eller en kombination av våg- och partikel/molekylegenskaper.
Man måste helt enkelt ”förstöra” den plana vågfronten för att uppnå en mer jämn frekvensgång vid högre frekvenser. Som vanligt fysikens lagar gäller, vill man ha mer ”hands on” kan man studera ljus eller högfrekventa radiosignaler för att få mer förståelse.
För att då hantera dessa fenomen har mätmikrofoner ett mikrofongaller som också är ett ”skyddsgaller".
Genom väl valda öppningar i gallret kan man styra ljudtryck och fas för att minimera mikrofonens fysiska storlek och dess påverkan på frekvensgången.
Som nämnts är detta påvisbart redan vid 1-2 kHz för en 1/2tums mic och det dubbla för !/4 tum (typisk elektretmikrofon).
Vid högre frekvenser förändras också mikrofonmembranets ”akustiska storlek” men då är vi inne på avancerad konstruktionsnivå.
Till slut kan man också nyttja resonansfrekvensen och dess Q-värde för att sträcka ut övre gränsfrekvens. Q-värdet styrs av hur många hål, placering och dess storlek man har i bakplattan.
Luftmolekyler kommer ju att pumpas in och ut mellan membran och bakplatta vilket då ”stör” den förenklade teorin om att endast ljudtrycket påverkar membranets amplitud.

Ellära
jag använder begreppet ellära då det verkligen handlar om elektriska grundprinciper.
En mikrofonkapsel levererar en elektrisk potential som är oerhört känslig för belastning där resistiv belastning påverkar känsligheten och kapacitiv belastning skapar distorsion. Reaktiva belastningar adderas ju till kondensatormikrofonens varierande kapacitans.
För mikrofoner är därför mikrofonför(för)stärkarens ingångs impedans fundamental. För elektretmikrofon-kapslar med ”inbyggt” FETransistorsteg där FET:ens gate är direkt kopplad till kapseln styr FET:ens kvalitet känslighet och möjlig distorsionsnivå. (förutom membranets egendistorsion).
Notering
Varför jag skriver ”mikrofon(för)förstärkare” beror på att de flesta är vana vid att en elektretkapsel innehåller ett förstärkarsteg i i form av en FET vilket egentligen inte ingår i kondensatormikrofonen som sådan.

Luftens/temperaturens påverkan
Lite ”överkurs”. I en ”fluid” (vad heter det på svenska?) har vi Brownsk rörelse och termisk rörelse mellan molekylerna*. Alltså Luftmolekyler och mikroskopiska partiklar bombarderar mikrofonmembranet konstant då vi bl.a har ett lufttryck som hela tiden vill expandera men stöter på ett hinder = membranet.
Det uppstår alltså ett naturligt brus som inte går att undvika. Detta sker även givetvis mot trumhinnan, även människan har en bruströskel som dels består av nämnda brus, dels av kroppsljud såsom blodets brus i ådror och annat. En väldigt ”lärorik” upplevelse i ett ekofritt rum.
Vad har detta då för påverkan i praktiken? Jo, ett litet och hårt spänt membran kommer att påverkas mer än ett stort membran och därför brusar små mikrofoner mer än större. Det är alltså inte bara liten utsignal och därmed förstärkarbrus som påverkar.
*jag skiljer på Brown:sk rörelse och termiskt brus (rätt eller fel), ”smutsig luft” som innehåller partiklar större än luftmolekyler som rör sig. Farbror Brown hade ingen aning om molekyler när han upptäckte att vissa partiklar rörde sig stokastiskt i en för övrigt stilla fuid (pollen i vatten om jag minns rätt). Vid denna tidpunkt hade man inte koll på molekylers rörelser, det var Einstein som sedan verifierade varför partiklarna rörde sig stokastiskt.
Långt senare fick någon Nobelpris för stokastisk teori inom finansvärlden. Allt jämnar faktiskt inte ut sig och finner sitt viloläge i vår värld – kaosteorin är ett faktum.
Det finns säkert nån som kan mycket mer om detta på faktiskt.io

VERKLIGHETEN ÄR ALLTID EN KOMPROMISS
Den perfekta mätmikrofonen finns helt enkelt inte. Det finns dock mikrofoner som är (nästan) perfekta för specifika mätningar/krav. De krav vi har som hifi-nörd på mätningar är dock relativt enkla att uppnå
Bilagor
B&K4191 serialnr 2113974.jpg
B&K4191 serialnr 2113974.jpg (68.13 KiB) Visad 2075 gånger

Användarvisningsbild
DQ-20
Skum fogare
 
Inlägg: 8579
Blev medlem: 2003-12-03
Ort: ografi

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav DQ-20 » 2023-02-17 16:07

jansch skrev:DQ- 20,
Visst kommer det att bli dansk mikrofon-gladporr på högsta nivå. D v s "I Hifi nördens tecken" (händerna på täcket....)

Humor helt i min smak.

jansch skrev:I en ”fluid” (vad heter det på svenska?)

Det heter fluid. Fluider är allt som bara fortsätter ge vika så länge de utsätts för skjuvspänningar. De är helt enkelt helt otroligt lösa i hullet. :D

/DQ-20
I try to change the formality and everything about it
People killing people for a reason
You make mistakes
You don't regret
So make a conclusion
.

- Infected Mushroom: Change the formality

Användarvisningsbild
idea
 
Inlägg: 771
Blev medlem: 2010-12-14
Ort: Gbg

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav idea » 2023-02-17 17:49

Suverän tråd! Hatten av för Jansch.

Hittade några gamla B&K infobroschyrer som möjligen fortfarande går att hämta från de gröna (tidigare) danska företaget om man ber snällt. Tex. BK_Measurement_Microphones.pdf som komplimenterar Jansch utmärkta beskrivningar , men jag vet inte hur jag skall göra denna och de övriga åtkomliga för allmänheten - förslag välkomnas tacksamt.
Idea what a great ID

Användarvisningsbild
idea
 
Inlägg: 771
Blev medlem: 2010-12-14
Ort: Gbg

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav idea » 2023-02-17 18:13

Kom på en väg via min hemsida som jag lyckats dela ut diverse filer genom att dölja dem i bakgrunden på sidan.

http://idea53.se/delade-bilder/BK_Measurement_Microphones.pdf

Testade via förhandsgranskning och det fungerade åtminstone för mig så här kommer resten:

http://idea53.se/delade-bilder/BK_Measurements_in_Building_Acoustics.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Measuring_Sound.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Measuring_Vibration.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Sound_Intensity.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Structural_Testing_1.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Structural_Testing_2.pdf

Jag hoppas inte trådskaparen tar illa upp och tycker att jag kapat tråden. Om så vore fallet så tar jag bort inlägget och skapar ett separat inlägg för detta.
Annars - håll till godo med några hundra sidor relativt lättläst om ljud och ljudmätningar.
Idea what a great ID

Anders J
 
Inlägg: 321
Blev medlem: 2015-08-07
Ort: Ösmo

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav Anders J » 2023-02-17 19:07

Jag har varit med och mätt mynningsknallar från artilleri med en B&K 1/8¨ åt FMV. Tror vi hamnade på toppvärde motsv väl över 172 dB. Vid sådana tryck måste man inse att luften inte längre är linjär, dvs det dynamiska ljudtrycket är inte självklart litet i relation till atmosfäriskt tryck. Svårt att kalibrera/få tätt noggrant med pistonophone med adapter.

Användarvisningsbild
DQ-20
Skum fogare
 
Inlägg: 8579
Blev medlem: 2003-12-03
Ort: ografi

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav DQ-20 » 2023-02-17 23:32

Ja, vad var det jag sa. Festen är ett faktum och tråden har utvecklat sig till en rejäl dansk korvfest, helt enligt plan. Kvällslektyr i en månad.

DQ-20
I try to change the formality and everything about it
People killing people for a reason
You make mistakes
You don't regret
So make a conclusion
.

- Infected Mushroom: Change the formality

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-18 00:27

idea skrev:Kom på en väg via min hemsida som jag lyckats dela ut diverse filer genom att dölja dem i bakgrunden på sidan.

http://idea53.se/delade-bilder/BK_Measurement_Microphones.pdf

Testade via förhandsgranskning och det fungerade åtminstone för mig så här kommer resten:

http://idea53.se/delade-bilder/BK_Measurements_in_Building_Acoustics.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Measuring_Sound.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Measuring_Vibration.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Sound_Intensity.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Structural_Testing_1.pdf
http://idea53.se/delade-bilder/BK_Structural_Testing_2.pdf

Jag hoppas inte trådskaparen tar illa upp och tycker att jag kapat tråden. Om så vore fallet så tar jag bort inlägget och skapar ett separat inlägg för detta.
Annars - håll till godo med några hundra sidor relativt lättläst om ljud och ljudmätningar.


Abolut inte! tråden är ju till för att skapa en fördjupad förståelse för mätmikrofoner/ mätteknik.
Min ambition är att skapa en tråd vars samlade information räcker till för en hifi-nörds nyttjande av mätmikrofoner och undvika misstag och missvisande mätningar. Därutöver lite "kuriosa" som kanske är kul att veta.

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-18 00:57

Anders J skrev:Jag har varit med och mätt mynningsknallar från artilleri med en B&K 1/8¨ åt FMV. Tror vi hamnade på toppvärde motsv väl över 172 dB. Vid sådana tryck måste man inse att luften inte längre är linjär, dvs det dynamiska ljudtrycket är inte självklart litet i relation till atmosfäriskt tryck. Svårt att kalibrera/få tätt noggrant med pistonophone med adapter.


Jag vill gärna ha en 1/8 tums mikrofon men även begagnadepriserna är hutlösa. Bara adaptern för att anpassa till standardmikrofonförstärkare kostar sådär 3000:- begagnad.
Varför vill jag ha en B&K 4138 1/8tumsmikrofon? Tja.... rent habegär.... mikrofonporr på högsta nivå! Många gånger dyrare än guldpriset i gram räknat...

Numer finns speciella mikrofoner för extrema ljudtryck, för t.ex kanonskott och airbags etc.
Kollade precis, "värstingen" tål 184dB vid 3% dist och javisst vid sådana nivåer är ingenting linjärt.

Kommentaren om pistonfon och tätning har jag aldrig upplevt och förstår inte riktigt. Sliten o-ring?
Adapterna, oavsett 1/2, 1/4 eller 1/8 tum, är o-ringstätade och har aldrig varit problem för mej. 1/1tums mic passar direkt på pistonfonen med inbyggda o-ringstätningen.
Man kan dock få en felvisning på sådär 0,1dB om man inte trycker mic:en rakt ner i öppningen. T.ex om man lägger den på ett bord så att mic:ens tyngd får den att "skeva" i hålet.

Kommer att i senare inlägg beskriva pistonfon som kalibreringsmetod.

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-20 17:46

Mätmikrofoner del 3

Oj, det här inlägget blev långt!

Kalibrering
Kalibrering eller kalibrerad mikrofon är ett ganska misshandlat begrepp, väldigt ofta menar man att mikrofonen är uppmätt på något sätt utan att veta hur och under vilka premisser.
T.ex en högtalare som spec:as med frekvensområde 20 – 20kHz betyder ingenting. Då kan man lika gärna skriva 0 – 20kHz då alla dynamiska högtalarelement går den till 0 Hz.
Kalibrering, på korrekt sätt, hänvisar oftast till en internationell standard och som man gör inom mätmikrofonteknik. Visserligen kan man ”kalibrera” utan standard men då skall alla parametrar som påverkar mätresultatet redovisas och dess onoggrannhet och då kalla det för specifikation istället.
Det finns flera kalibreringsstandarder för mätmikrofoner. Det viktiga är att det finns en hänvisning till en standard där man kan gå tillbaka till information.
Många kalibreringsmetoder/mätningar relaterar till någon IEC eller ANSI standard, t.ex IEC651 för frekvensgång.
Som hifi-nörd är man fokuserad på frekvensgång på mätmikrofoner men den viktigaste kalibreingen handlar om totalt ljudtryck.

Skäl: I den andra, riktiga världen, som befinner sig utanför hifi-nördens bubbla, handlar nästan allt om ”buller” som då mäts med ett vägt dB-värde och ett par dB avvikelse vid 20kHz är oviktigt. T.ex kupébuller i en personbil är kanske 85dBA, där ”A” står för A-vägt som ungefär motsvarar vår hörsels frekvensgång vid låga till medelhöga ljudnivåer (40-90dBSPL.

SPL står för Sound Pressure Level i decibel (Jo, jag vet att de flesta har tvärkoll på detta på faktiskt.io) och relaterar till 20 mikroPascal = 0 dBSPL. Detta då decibel bara beskriver ett förhållande utan någon storhet/sort.
Ett värde att lägga på minnet är 1 Pascal = 94dBSPL då vissa mikrofontillverkare använder det som referens för S/N (signal noise ratio). Mätmikrofoner definierar istället dynamiken (Dynamic range) och då är det skillnaden mellan brusgolv, oftast i dBA och maximalt ljudtryck vid vid 3% distorsion.
Begreppet känslighet för mikrofoner relaterar också till 1 Pascal. T.ex en mikrofon kan ha 50mV/Pa eller motsvarande -26dB som då står för att utspänningen är relaterad till 1volt/Pa = 94dBSPL.

Mätmetod
Mätmetoder/kalibrering för ljudtryck /känslighet bygger oftast på pistonfonteknik eller piezoelektrisk ljudkälla och undantagslöst i Pressure field, d v s i en sluten kavitet, ett slutet hålrum där mikrofonmembran och ljudkälla befinner sig.

Pistonfon
Pistonfon är en mycket robust ljudkälla för att mäta en mikrofons känslighet där mekaniska kolvar skapar ljudtrycket, precis som en vanlig bensinmotor med dess kolvar.
Fördelen är uppenbar, det finns inte mycket som kan gå snett om man förstår principen och dess begränsningar.
Bruel&kjaers 4220 och 4228 bygger på pistonfonteknik, har 2 kolvar monterade som en boxermotor för att undvika vibrationer. Dessa drivs av en kamaxel via en elmotor som är varvtalsstyrd och producerar 250Hz (teoretisk 251,2Hz).
Så varför 250Hz och inte 1kHz som är någon form av standard inom hifi-industrin. Det finns 2 skäl, dels är det problematiskt med höga frekvenser med mekanisk teknik men framför allt är det en bättre frekvens för att mäta mikrofoners känslighet generellt. Då är vi tillbaka till akustikens påverkan p g a mikrofonstorleken, alla mikrofoner inklusive stora såsom 1 tums mätmikrofoner har samma känslighet såväl i frifält som i pressure field vid 250Hz. Vi kan alltså mäta alla frifältsmikrofoner med pressure field metoder.
Varför är det bra att mäta med pressure field? Jo, i en sluten kavitet kan vi skapa väldigt höga ljudtryck på enkelt sätt och påverkas då inte av omgivningen.
En pistonfon av typ B&K4220 skapar 124dBSPL vid 250Hz med försumbar distorsion och har en kalibrerad onoggrannhet på max +/- 0,2dB. Detta om man kompenserar för lufttryck och mikrofonens egna luftvolym (luft mellan mikrofongaller och membran).
Man kan tycka att 124dBSPL är väldigt högt men traditionella mätmikrofoner klarar minst 135dBSPL. B&K 4191 mikrofonen klarar 162 dBSPL
De vanliga elektretmikrofonerna med inbyggt förstärkarsteg bör nog inte mätas över ca 100dBSPL.

Kuriosa:
Mitt hus ligger ca 27 meter över havsnivå, vid normalt lufttryck vid havsnivå spelar det ingen stor roll. Vid lågtryck/dåligt väder är det annorlunda. Precis just nu är lufttrycket 986 millibar och felvisningen är då ungefär 0,23dB, inte mycket men vädret är trots allt inte skitdåligt.
Så varför beskriver jag allt detta ”onödigt vetande”. Skälet är enkelt, vill man ha koll på vad man mäter måste man hålla koll på allt som kan påverka mätresultatet. För en hifi-nörd är mikrofonkänslighet inte primärt men t.ex frekvensgångens noggrannhet är definitivt viktig när man ”jagar” enstaka decibel med en mikrofon som har flera decibels onoggrannghet.

Bruel&kjaers pistonfoner levereras med en traditionell barometer, se bild, för att hålla koll på vad man gör. Stenåldersteknik? Javisst, men hur gör man annars?

Slutligen, att mäta/verifiera en mikrofons känslighet är ett ypperligt sätt att säkra att även frekvensgång och övriga parametrar håller spec:arna.

Mikrofoner påverkas av ”allt” därför är professionella mätmikrofoner specade ”på längden och tvärsen”. En mikrofonkapsel av typ B&K 4191 har 9 kalibreringskurvor, hundratalet specifikationer och ca 30 A4-sidor textmassa. För vem vill inte hålla koll på att t.ex att känsligheten för magnetiska fält är motsvarande 4dBSPL för 80A/m vid 50Hz!?

Nästa inlägg kommer att handla om frekvenskalibrering

Bilderna visar:
- 2 pistonfoner varav en med avskruvad topp, den som bildar kaviteten (pressure field). Vid sidan ligger adaptrar för olika mikrofondiametrar och en disk med kalibreringsfiler från ursprungskalibreringen samt barometer.
- Närbild där man ser en av de 2 kolvar som skapar ljudtrycket i kaviteten. Ca 3mm i diameter.

Kuriosa:
Fick en fråga från en faktiskt.io medlem för en vecka sedan om man kan köpa en kalibrator på nätet för sin mikrofon. Tyvärr är det ingen bra ide’ då kaviteten som bildas när man stoppar in mikrofonen måste vara exakt definierad, ljudtrycket är omvänt proportionellt mot kavitetens storlek. Därför har alla B&K mikrofoner ett korrigeringsvärde för den luftvolym som finns mellan mikrofongaller och membran. Det behövs alltså inte så stor skillnad i mm3 luftvolym för att mätningen skall ha sämre noggrannhet än en gratis telefon-app av bättre typen.
Bilagor
pistonfonkolv.jpg
pistonfonkolv.jpg (277.19 KiB) Visad 1897 gånger
pistonfoner.jpg
pistonfoner.jpg (435.26 KiB) Visad 1897 gånger

Användarvisningsbild
Ronnie
 
Inlägg: 2987
Blev medlem: 2006-05-26
Ort: Gustavsberg, Stockholm

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav Ronnie » 2023-02-21 06:05

Mycket intressant!
Om du känner för att ta dig an ett praktiskt spörsmål när andan faller på så vore det mycket uppskattat:

Jag är just nu mest intresserad av att känna till absolut ljudtryck vid mina mätningar så att jag kan hålla koll på distorsionen vid olika nivåer i högtalarbygget. I första hand behöver värdet inte vara superexakt, men bättre än med telefonapp vore nog önskvärt.

Jag har dessa pryttlar:
Dator: Gammal iMac (verkar enbart funka pålitligt vid mätningar med Applestandarden 48 kHz)
Mätprogram: Room Equalization Wizard
Ljudkort: Behringer UMC404HD
Mikrofon: Line Audio OM1

Tänker att dessa saker behöver fås koll på:
1) Går det att lita på prylarna, med alla deras inställningar, för att mäta absolut ljudtryck -eller borde man skaffa sig nån separat grunka för detta? Kan man ens lita på att ljudkortet inte distar vid höga ljudtryck när jag inte dämpar signalen in från mikrofonen?
2) Vilken spänningsnivå skickar ljudkortet ut signaler i?
Programmet talar om nivåer i dBFS och det finns inställningar för att justera in- och utgångsnivåer som man kan kalibrera från 0 till 1, tror jag det ör. Kanske? Enhet? De inställningarna är ...ofta... gråa och går inte att ändra ändå. Bara ibland, tror jag. Räknar inte med att bli klok på det i första taget, utan man får väl mäta på utgången helt enkelt. Då ska man ha en exakt voltmeter och ja... det är väl lite sisådär med den saken. En gammal Solartron/Schlumberger-apparat finns, som ingen kan kalibrera och justera. Ett modernt litet handhållet oscilloskop/voltmeter m.m. finns också att tillgå. Vad ska man skicka ut? 1 kHz sinusvåg? 250 Hz?
3) Hur mycket förstärkning har ljudkortet från mikrofoningång till A/D-omvandlare? Hittar ingen uppgift från tillverkaren.
4) Är programmets distorsionsmätningar ens att lita på? Tror jag läst att det är lite si och så med det.
5) Mikrofonens känslighet och hur man omvandlar ljudtryck till dBv (blir det va?) utifrån den känsligheten. 8mV/PA berättar tillverkaren att känsligheten är. Sen pratar väl programmet dBFS ändå efter att signalen digitaliserats och då skulle man kanske ha nån aning om vad det innebär och så dårå.
6) Allt det här är i stort sett omöjligt att hålla koll på va? :lol: Man kan ju alltid ladda ner en app till telefonen och mäta ljudstyrkor utan att blanda in all utrustning. Det verkar uruselt. Så vad gör man? Köper en handhållen bullermätare av nåt slag?

Sen får man ju se till att korrigera för ljudkortets påverkan. Det kan man göra genom att dra en sladd från en utgång på ljudkortet till en ingång och trycka på en knapp i programmet. Det blir nästan alltid fel, men om man har lite tur så...
Senast jag gjorde det utförde programmet en helt vanlig högtalarmätning och sen kunde jag spara den, men det ville jag ju inte eftersom det ju var ljudkortet som skulle mätas. Obegripligt, men jag vet att det kan råka bli rätt, så där är jag hoppfull.

Sen kan man ju tänka sig att man på nåt sätt får koll på allt ovanstående och litar på grunkorna, och att man då skulle vilja skaffa en kalibreringskurva för sin OM1:a.
Kan man skicka den till någon som kan mäta den i en sån där fiffig kolvapparat -som vet hur det hela ska ställas in för just en OM1:as specifika fysiska uppbyggnad?

Ja -om du kan svara på den där sista frågan så vore det ballt nog! :)

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-21 14:49

SVAR TILL RONNIE

Det enkla och raka svaret är tyvärr NEJ.

Lite detaljerat svar på dina frågor:
1. Du har inga referenser i form av förstärkning på de olika enheterna och mikrofonens känslighet på 8 mV/Pa får man räkna som ett riktvärde.
Distorsion från mikrofonen NOG låg vid rimlig SPL, alltså upp till sådär 100dBSPL och gissningsvis i 0,1% området. Att mäta mikrofondistorsion är inte lätt och de flesta leverantörer av mikrofoner som bygger på elektretkapslar har nog ingen koll, framförallt inte på enskilda individer.
Distorsionen i Behringerburken får man se upp med och inte nyttja max förstärkning och max utsignal för att komma ner under 0,1 %. Se gärna Youtube klippet: https://www.youtube.com/watch?v=U_SRRhXnPrA
Julian Krause som presenterar testen är ovanligt seriös och utan "bias".

2. Max Utnivå från ljudkortet är 1 dBV enligt Krause men den nivån bör alltså undvikas (fast menar han egentligen 0dBV?). Hur som helst hjälper det inte dej i sammanhanget.

3. Förstärkningen räcker till så länge du kan överstyra ingången = LED:en lyser och varierar med volympot:ens inställning.

4. Programmets noggrannhet har jag ingen aning om, det finns dock inget tekniskt skäl till att generellt misstro programmet.

5. Mic:en har ju 8mV/Pa d v s vid 94 dBSPL. Signalnivån i dBV refererar till 1Volt vid 0 dBV. Då kan man räkna men du har nog ingen nytta av omvandlingen.

6. Jo, så är det, med 5 steg (mic - ljudkort - PC - applikation - ljudkort) som inte är "kalibrerade" i signalnivå och dessutom inte visar signalspänning har man ingen aning om ljudtrycket i slutändan.

Detta gäller ju även när man mäter med kalibrerad mikrofon i PC miljö. Jag har därför alltid en "Conditioning Amplifier" (kanske mätförstärkare på svenska) inkopplad efter mikrofonen där jag kan ställa in t.ex 1V/Pa, filtrera t.ex 20 - 22,4kHz samt avläsa SPL, mm.

Du har alltså 2 "huvudproblem": definiera ljudtrycket och mäta utsignal till t.ex högtalare om du vill konstatera högtalarens känslighet. Mäta utsignal går ju med oscilloshop eller en bra multimeter som klarar frekvensområdet.

Nu är vi alltså tillbaka till att huvudproblemet är: HUR SKAPA 94dBSPL eller någon annan SPL referens.

Jag har tänkt mycket på det då många har frågat mej hur man kan göra och du aktualiserar ämnet igen. Jag tror man ska glömma ljudalstrare på nätet, dom måste vara anpassade till mikrofonen som jag skrev tidigare. Utan egen ansträngning blir då en dB-meter som har "linjär" eller dBC mätning enklast.

En mycket roligare lösning är att skapa något som ersätter mikrofonen vid kalibrering. Alltså en liten sinus- eller brusgenerator som ger ut lika stor signal som mic:en direkt in i ljudkortets ingång vid motsavarande 94dB. Man "kalibrerar" sinus/brusgeneratorn en enda gång och sedan har man "tvärkoll" på varje gång man ska mäta då man ställer in alla "rattar" för att få rätt nivå i applikationsprogrammet eller ett slutstegs utsignal etc.

Helst väljer man då en brusgenerator med ett bandpassfilter för t.ex 250 - 1 kHz. Dels är det en busenkel kretslösning, dels är den stabilare än en sinusgenerator, dels går det akustiskt att mäta med ett sådant brus i hemmiljö om man vill mäta högtalares känslighet i rum och till sist minimerar man mikrofonens olinjäritets påverkan.

Men "kalibreringen" då? Jo det kräver att man jämför med en en kalibrerad mikrofon och pistonfon, s.k. reciprok mätning på finsvenska mot "din" mikrofon. Ställer därmed in utsignalen på "brusburken" med en (10varvs) potentiometer och låser den med t.ex frugans nagellack.
Då har man en liten brusburk med XLR-kontakt direkt in i ljudkortet som alltid producerar 94dBSPL utan yttre störningar så länge man håller sig till rimlig inomhustemperatur. Noggrannheten kommer teoretiskt att ligga på under +/-0,2dBSPL, i praktiken på kanske max +/- 0,5 dBSPL vilket är riktigt bra!

Har du lust att bygga en sådan kan jag hjälpa till med själva "kalibreringen". Jag bor ju i Trosa vilket inte är så långt, du bor väl i Stockholm.

PS. Glömde skriva att ljudtryket från brus är ju bandbreddsberoende vilket kan ställa till det om man inte tänker till. Det kan vara ett skäl till att trots allt använda en sinusgenerator DS

Användarvisningsbild
Ronnie
 
Inlägg: 2987
Blev medlem: 2006-05-26
Ort: Gustavsberg, Stockholm

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav Ronnie » 2023-02-21 18:21

Oj, det var en väldans massa svar. Tack så mycket!

Jag har ju en tongenerator man skulle kunna använda för referenssignalen -brus av okänd typ (utan bandpassfilter tyvärr) och sinus m.m. går att välja. Den har inställning för hög (50 Ohm) och låg (100 kOhm?) last och går att ställa in digitalt i 0.1mV-steg. Om det inte är tillräckligt noggrannt så kunde man ju bygga en liten låda med nagellackad potentiometer att koppla in efter den, kanske rent av ett buffertsteg också om man är väldigt ambitiös. Att koppla in den tillsammans med ljudkortet och dess ingångslast utan buffert när man kalibrerar signalen skulle välan bli tillräckligt noga annars om än inte lika tjusigt.
Det vore nog bra att koppla in en kondensator emellan iallafall, så jag inte råkar köra fantomspänning in i tongeneratorns utgång.

Mycket lockande erbjudande! Trosa är inte så långt och betydligt kortare mentalt om man låter snön smälta först. :)
Bilagor
06A1DE52-4D0C-4C45-8C4E-B91EDB1DB55E.jpeg
06A1DE52-4D0C-4C45-8C4E-B91EDB1DB55E.jpeg (96.15 KiB) Visad 1798 gånger

Maarten
 
Inlägg: 3819
Blev medlem: 2003-05-25
Ort: Göteborg

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav Maarten » 2023-02-21 18:29

Jag brukar använda en multimeter vid högtalarterminalen och mäta distorsion vid 2,8 V, 5,6 och 11,2 V. Nu har jag en gammal Fluke 85 TRMS men en billig multimeter funkar bra vid 50 Hz för att kalibrera nivån. Blir inom 1%.
Det faktiska ljudtrycket struntar jag i och utgår istället från spänningsnivå i kombination med fabriksdata för elementen och Basta simulering som tar fram känslighet utifrån T-S parametrar. Det borde bli tillräckligt exakt för högtalare.


Linjäritet för frekvensgång i mikrofoner vore intressant att veta mer om!.
sb17nbac till alla!

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-21 23:47

Ronnie,
En sak man oftast "glömmer" eller rättare sagt, man blir lurad a decibelskalan. Alltså en variation på 1% i utsignal från din sinusgenerator är mer än tillräcklig noggrannhet.

jansch
 
Inlägg: 3675
Blev medlem: 2009-05-01

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav jansch » 2023-02-22 00:07

Maarten skrev:Jag brukar använda en multimeter vid högtalarterminalen och mäta distorsion vid 2,8 V, 5,6 och 11,2 V. Nu har jag en gammal Fluke 85 TRMS men en billig multimeter funkar bra vid 50 Hz för att kalibrera nivån. Blir inom 1%.
Det faktiska ljudtrycket struntar jag i och utgår istället från spänningsnivå i kombination med fabriksdata för elementen och Basta simulering som tar fram känslighet utifrån T-S parametrar. Det borde bli tillräckligt exakt för högtalare.


Linjäritet för frekvensgång i mikrofoner vore intressant att veta mer om!.


Kommer i nästa inlägg!

Otast specas känslighet på högtalare lite "si och så". Bäst att utgå från frekvenskurva och då ett medelvärde som känns bra om inte känslighet vid t.ex 1kHz är angivet.

Maarten
 
Inlägg: 3819
Blev medlem: 2003-05-25
Ort: Göteborg

Re: MÄTMIKROFONER!

Inläggav Maarten » 2023-02-22 08:25

Gott!

Ja, frekvensgång varierar ju så man behöver definiera vid vilken frekvens känsligheten gäller. Här är Basta en hjälp om man tittar inom det lägre frekvensspannet där det troligen blir mer rätt än för högre.

Glömde skriva att det ska vara sinusvåg som signal om man inte har TRMS multimeter.
Man kan ju också loopa hela klabbet och mäta distorsion såväl som frekvensgång för att säkerställa att fel nte smugit in sig (utrustning, störningar, klippning etc).
sb17nbac till alla!


Återgå till Teknikforum


Vilka är online

Användare som besöker denna kategori: Inga registrerade användare och 6 gäster