ГОСТ Р МЭК 61094-2-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Микрофоны измерительные. Часть 2. Первичный метод градуировки по давлению лабораторных эталонных микрофонов методом взаимности стр. 4

В цилиндрических камерах, описанных в приложении С, волновое движение будет как продольным, так и радиальным (как симметричным, так и асимметричным). Радиальное волновое движение будет причиной неравномерного распределения давления по мембране. Оно возникнет, если излучатель будет отличаться от идеального поршневого источника, плотно соприкасающегося с поверхностью камеры связи, или если геометрическая форма соединения микрофон - камера связи не представляет собой прямой круговой цилиндр. Кроме того, асимметричное радиальное волновое движение возникает из-за несовершенства геометрической формы системы неподвижный электрод - мембрана микрофона-излучателя или из-за натяжения мембраны и ее однородности.
Рекомендуется, чтобы при градуировке неравномерность распределения звукового давления по мембране не превышала ±0,1 дБ. Однако это условие трудно контролировать из-за геометрического несовершенства реального микрофона и камер связи. Несмотря на то, что радиального волнового движения невозможно избежать из-за отличия распределения по скорости микрофона-излучателя от идеального поршня, камеры связи, диаметр которых равен диаметру мембраны микрофона, будут менее всего подвержены радиальному волновому движению и менее всего чувствительны к несовершенству геометрической формы полости, чем камеры с диаметром, большим диаметра мембраны.
Однако если необходима высокая точность при градуировке на высоких частотах, то для получения более правильной чувствительности микрофона желательно использовать несколько камер связи различных размеров и ввести теоретически обоснованные поправки на радиальное волновое движение.

6.5 Влияние внешних условий

6.5.1 Статическое давление
Акустическое сопротивление и масса газа между мембраной и неподвижным электродом, податливость полости за мембраной (далее - податливость) и, следовательно, чувствительность по давлению зависят от статического давления. Эту зависимость, которая представляет собой функцию частоты, можно определить для микрофона путем его градуировки методом взаимности при различных статических давлениях.
Приложение D содержит информацию о влиянии статического давления на чувствительность по давлению лабораторных эталонных конденсаторных микрофонов.
6.5.2 Температура
Акустическое сопротивление и масса газа между мембраной и неподвижным электродом и, следовательно, чувствительность по давлению зависят от температуры. Кроме того, геометрические размеры микрофона зависят от температуры, а чувствительность микрофона зависит от механического натяжения мембраны и от расстояния между мембраной и неподвижным электродом. Общее влияние этих изменений зависит от частоты. Эта объединенная зависимость для микрофона может быть определена путем градуировки методом взаимности при различных температурах.
Приложение D содержит информацию о влиянии температуры на чувствительность по давлению лабораторных эталонных конденсаторных микрофонов.
Примечание - Если микрофон подвергнуть большим изменениям температуры, то это может привести к изменению его чувствительности на постоянную величину.
6.5.3 Влажность
Несмотря на то, что термодинамическое состояние воздуха в полости за мембраной микрофона незначительно зависит от влажности, ее влияние на чувствительность лабораторных эталонных микрофонов в отсутствие конденсации не прослеживается.
Примечание - Определенные условия могут повлиять на стабильность напряжения поляризации и заряд на неподвижном электроде и таким образом повлиять на чувствительность микрофона. Например, поверхностное сопротивление изоляции материала между неподвижным электродом и корпусом микрофона может ухудшиться под влиянием большой влажности, особенно если материал загрязнен (7.3.3.3). Поверхностное сопротивление имеет заметное влияние на чувствительность микрофона на низких частотах, особенно на фазовую чувствительность.
6.5.4 Переход к опорным внешним условиям
В протоколе градуировки чувствительность микрофона по давлению должна быть приведена к опорным внешним условиям, при наличии достоверных поправочных данных.
В протоколе должны быть указаны условия, при которых была проведена градуировка.
Примечание - При градуировке температура микрофона может отличаться от температуры окружающего воздуха.

7 Составляющие неопределенности градуировки

7.1 Общие сведения

В дополнение к факторам, влияющим на чувствительность по давлению (см. раздел 6), ниже указаны составляющие общей неопределенности, такие как погрешность метода, инструментальная погрешность и тщательность проведения градуировки. Факторы, известным образом влияющие на результаты градуировки, должны быть измерены или рассчитаны с максимально возможной точностью для того, чтобы уменьшить их влияние на общую неопределенность.

7.2 Электрический передаточный импеданс

Для измерения электрического передаточного импеданса с необходимой точностью используют различные методы, но ни одному из них не отдают предпочтение. Ток, проходящий через излучатель, как правило устанавливают, измеряя напряжение через калиброванный импеданс, включенный последовательно с микрофоном-излучателем. Для того чтобы правильно измерить ток, к микрофону-излучателю должна быть присоединена стандартная конфигурация заземленного экрана (6.3). Калибровка последовательно включенного импеданса должна быть проведена с той же емкостью кабеля или другого нагрузочного импеданса, как и при измерении напряжения через калиброванный импеданс. Это позволяет определить электрический передаточный импеданс через отношение напряжений и калиброванный импеданс.
Напряжение, подаваемое на микрофон-излучатель, должно быть таким, чтобы влияние гармоник от этого генератора или от микрофона-излучателя на неопределенность в измерении чувствительности по давлению было мало по сравнению со случайной неопределенностью измерений. Шумы или другие помехи (такие, как перекрестные помехи) акустического или другого происхождения не должны чрезмерно влиять на чувствительность по давлению.
Примечание 1 - Для улучшения отношения сигнал/шум рекомендуется использовать аппаратуру для частотного анализа.
Примечание 2 - Перекрестные помехи допускается измерять, заменив микрофон-приемник макетом микрофона с теми же наружными геометрическими размерами и такой же электрической емкостью и определив разность в результатах измерений электрического передаточного импеданса. Камера связи и микрофоны должны быть расположены так же, как при градуировке. Перекрестные помехи допускается определять и при градуировке, установив напряжение поляризации равным нулю. В обоих методах рекомендуется использовать аппаратуру для частотного анализа.

7.3 Акустический передаточный импеданс

7.3.1 Общие сведения

На акустический передаточный импеданс влияют несколько факторов, но основным источником неопределенности при его измерении, особенно для маленьких камер связи, являются параметры микрофона.

7.3.2 Характеристики камеры связи  

7.3.2.1 Размеры камеры связи
Форма и размеры полости камеры связи должны удовлетворять требованиям 6.4. Пока наибольшие размеры камеры связи малы по сравнению с длиной звуковой волны в газе, звуковое давление в разных частях камеры будет постоянным и не будет зависеть от ее формы. На высоких частотах и для больших камер связи это требование может быть удовлетворено при заполнении полости гелием или водородом.
Неопределенность в измерении размеров камеры связи влияет на акустический передаточный импеданс неоднозначно в зависимости от частоты. На акустический импеданс влияют также поправки на теплопроводность и капиллярные трубки. Примеры используемых камер связи приведены в приложении С.
Примечание 1 - Цилиндрические камеры связи, используемые в диапазоне частот, где размеры камеры не малы по сравнению с длиной волны, должны быть изготовлены с особой тщательностью, чтобы предотвратить возбуждение асимметричных звуковых полей.
Примечание 2 - Влияние асимметричного распределения звукового поля на микрофон обнаруживают, изменяя взаимное положение камеры связи и микрофонов, например, поворачивая каждый микрофон вокруг своей оси ступенями на некоторый угол. Если в данном случае электрический передаточный импеданс изменяется, то это влияние следует учесть при оценке неопределенности.
Примечание 3 - Если камера связи заполнена не воздухом, а другим газом, то необходимо предотвратить утечку этого газа в полость за мембраной путем герметизации контактирующих поверхностей тонким слоем вакуумной смазки. При диффузии газа через мембрану градуировку микрофона данным способом проводить не следует, так как чувствительность микрофона становится непрогнозируемой.
7.3.2.2 Потери на теплопроводность и вязкость
Поправки на потери из-за теплопроводности и вязкости должны быть рассчитаны из уравнений, приведенных в приложении А для цилиндрических камер связи с размерами, указанными в приложении С. При расчетах под полным объемом камеры связи понимают сумму геометрических объемов полости камеры связи и передних объемов присоединенных к ней микрофонов. Аналогично под полной поверхностью камеры связи понимают сумму поверхностей собственно полости камеры связи и полостей передних объемов присоединенных к ней микрофонов.
7.3.2.3 Капиллярная трубка
Если используют капиллярные трубки, то акустический импеданс должен быть рассчитан из уравнений, приведенных в приложении В. Для уменьшения влияния размера трубки на рассчитываемую неопределенность рекомендуется использовать длинные узкие капиллярные трубки. Поправочный коэффициент для капиллярных трубок рассчитывают из уравнения (6) в 5.6.
7.3.2.4 Физические величины
Акустический передаточный импеданс зависит от физических величин, описывающих свойства газа в камере связи. Эти величины зависят от внешних условий, таких как статическое давление, температура и влажность. Значения этих величин и их зависимость от внешних условий для влажного воздуха указаны в приложении F.
Суммарную неопределенность этих величин определяют как совокупность неопределенностей, полученных из уравнений приложения F, и неопределенностей измерений параметров, характеризующих внешние условия.

7.3.3 Параметры микрофона  

7.3.3.1 Передняя полость
Лабораторные эталонные микрофоны перед мембраной имеют углубление. Объем этой передней полости представляет собой часть общего геометрического объема камеры связи в уравнении (3). Глубины этих передних полостей также влияют на длину камеры связи в уравнении (4). Из-за допусков при изготовлении объем и глубину передней полости следует определять индивидуально для каждого микрофона перед его градуировкой в плосковолновых камерах связи (приложение Е). Легко определить, что измеренный объем передней полости будет отличаться от объема, рассчитанного на основании поперечного сечения камеры связи и глубины передней полости. Это связано с тем, что диаметр передней полости может немного отличаться от диаметра камеры связи, а передняя полость микрофона имеет на внутренней стенке резьбу, которая не позволяет точно определить диаметр полости, и, кроме того, вблизи края мембраны микрофона может быть дополнительное кольцеобразное воздушное пространство, образующее полость. При использовании уравнения (4) дополнительный объем полости, определяемый как разность между действительным передним объемом и объемом, рассчитанным из поперечного сечения камеры связи и глубины передней полости, следует рассматривать как дополнительный импеданс нагрузки, поскольку и и импеданс дополнительного объема образуют параллельное соединение импедансов.
Примечание 1 - Дополнительный объем в некоторых случаях может быть отрицательным.
Примечание 2 - Если в передней полости имеется внутренняя резьба, то увеличение внутренней поверхности из-за ее наличия повысит потери на теплопроводность и вызовет изменение акустического передаточного импеданса. Если при расчете акустического передаточного импеданса этим эффектом пренебрегают, то соответствующие компоненты неопределенности должны быть соответственно увеличены.
7.3.3.2 Акустический импеданс
Акустический импеданс микрофона зависит от частоты и определяется натяжением мембраны, слоем воздуха, заключенным в полости позади мембраны, и геометрией неподвижного электрода. В первом приближении акустический импеданс может быть выражен, применительно к эквивалентной схеме, в виде последовательно соединенных податливости, массы и сопротивления. Альтернативно эта эквивалентная схема может быть описана через податливость, частоту резонанса и коэффициент потерь. Податливость на низкой частоте нередко выражают в виде реальной части эквивалентного объема (6.2.2 МЭК 61094-1).