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章和电气AudioExpress 麦克风测试解决方案

章和电气AudioExpress 麦克风测试解决方案

应用领域:电声测试,实验室测试,工厂自动化测试

背景
   麦克风的电声测试经过多年发展,已经全面采用基于计算机的技术进行测试(PC-based)。测试方面,用户需要能够快速,准确的得到麦克风的所有电声参数;灵活的兼容不同种类麦克风;更高的性价比,以满足实验室和工厂测试的需求。

关键词
  麦克风测试,电声测试,AudioExpress

麦克风介绍
      麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件,也称话筒,麦克风,微音器,正式的中文名是传声器。麦克风主要分为动圈式和电容驻极体式。按照输出信号种类,分为模拟麦克风和USB麦克风。
       麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感、电容式转换,大量新的麦克风技术逐渐发展起来,这其中包括铝带、动圈等麦克风,以及当前广泛使用的电容驻极体麦克风。
 动圈式麦克风传声器音质较好,但体积庞大。驻极体传声器体积小巧,成本低廉,在电话、手机等设备中广泛使用。硅微麦克风基于CMOS MEMS技术,体积更小,MEMS麦克风特别适合高性价比的麦克风阵列应用。

       AudioExpress 是章和电气开发的专业声学测试软件平台。面向实验室,AudioExpress 能够方便,快速,专业的搭建声学测试应用程序。对于工厂自动化测试,AudioExpress采用组态式的结构,可以在这个平台上开发面向不同产品的测试序列(Test Sequence),高效的解决工厂的声学测试难题。

      
AudioExpress可以方便的组态为麦克风测试程序,全方位测试麦克风的各项性能标。                     
      AudioExpress硬件上支持多个平台,面向生产测试的章和电气USB-9001,声卡;也支持面向专业研发实验室级别的NI(美国国家仪器)的高精度DSA硬件如4461系列板卡。同时支持一系列面向麦克风测试的外设,例如声校准器,标准转台以及RS232,GPIB等接口的设备。

AudioExpress为以下两个领域麦克风测试领域量身定做
1. 实验室研发
        AudioExpress 包含大量的专业声学分析函数,便捷的操作能够使用户摆脱复杂的软件编程,大大降低声学测量的入门门槛。用户可以在AudioExpress的测试序列编辑器可以方便的调用各种测试步骤,快速进行声学校准,采集,分析,生成报表等各种组态,是一种声学测试的组态软件。
2. 工厂测试
工厂测试往往需要较高的测试速度,OK/NG结果判断,生产型的用户界面和更容易接受的成本。AudioExpress 可以将实验室的测试序列方便的移植到工厂测试模式中。
      比如,用户在实验室开发声学测试序列,采用的是高精度的NI DSA板卡,但是工厂模式希望采用成本更为经济的声卡或者章和电气USB-9001等不同的硬件,,只需要修改硬件的驱动层,就可以方便的兼容不同的硬件。大部分的分析测试功能都可以不做修改。

一般麦克风测试,无论是模拟麦克风还是USB麦克风,主要需要测试以下内容:
1. 灵敏度 Sensitivity
2. 频率响应Frequency Response
3. 指向性 Directional
4. 声压 SPL
5. 相位 Phase
6. 本地噪声  Self-noise
7. 失真 Distortion
8. 极坐标图 Polar Plots
采用AudioExpress可以方便的测试上述所有指标,并且快速选择不同测试内容,生成最终测试报告。


主要的麦克风测试指标介绍
1. 灵敏度: 灵敏度指麦克风的开路电压与作用在其膜片上的声压之比。实际上,麦克风在声场必然会引起声场散射,所以灵敏度有两种定义。一种是实际作用于膜片上的声压,称为声压灵敏度,另一种是指麦克风未置入声场的声场声压,称为声场灵敏度,其中声场灵敏度又分为自由场灵敏度和扩散场灵敏度。通常录音用麦克风给出声压灵敏度,测量用麦克风因应用类型给出声压或声场灵敏度。 灵敏度的单位是伏/帕(伏特/帕斯卡,V/Pa)。
      在麦克风的灵敏度测试中,首先需要一个标准声校准器和一个标准传声器,常见使用声压级为94dB声校准器,用AudioExpress测试得到一个标准传声器的灵敏度,再将该标准麦克风用来校准标准声源,使得标准声源能够产生94dB的声压。最后,用标准声源校准被测麦克风,得到被测麦克风的灵敏度。
类似同样的原理,AudioExpress也可以测试USB麦克风,灵敏度单位为dBFS/Pa。
下图为AudioExpress用94dB声校准器校准麦克风时候的输出灵敏度
 


标准麦克风的校准需要预热,通常的预热时间大约在5-10分钟。直到灵敏度值保证稳定为止。


2. 频率响应
        频率响应是指麦克风接受到不同频率声音时,输出信号会随着频率的变化而发生放大或衰减。最理想的频率响应曲线为一条水平线,代表输出信号能直实呈现原始声音的特性,但这种理想情况不容易实现。一般来说,电容式麦克风的频率响应曲线会比动圈式的来得平坦。常见的麦克风频率响应曲线大多为高低频衰减,而中高频略为放大;低频衰减可以减少录音环境周遭低频噪音的干扰。 频率响应曲线图中,横轴为频率,单位为赫兹,大部份情况取对数来表示;纵轴则为灵敏度,单位为分贝。
       AudioExpress采用”一键式”扫频功能,能够快速得到麦克风的频响曲线。控制硬件输出20Hz-20KHz的正弦扫频(Sweep Sine),得到扫频曲线图。并且能够方便的设置上下限和进行不同曲线的比较。
下图为0,90,135,180 四个角度方向的一个麦克风四条频响曲线。
 

3. 指向性

 
      指向性描述麦克风对于来自不同角度声音的灵敏度,规格上常用如上的极性图(polar plots)来表示,在每个示意图中,虚线圆形的上方代表麦克风前方,下方则代表麦克风的后方。麦克风一般分为如下种类:
a.全指向式 全向式(Omnidirectional)对于来自不同角度的声音,其灵敏度是相同的。常见于需要收录整个环境声音的录音工程;或是声源在移动时,希望能保持良好收音的情况;演讲者在演说时配带的领夹式麦克风也属此类。全向式的缺点在于容易收到四周环境的噪音,而在价格方面相对较为便宜。
单一指向式 常见的单一指向式为心型指向(Cardioid)或超心型指向(Hypercardioid),对于来自麦克风前方的声音有最佳的收音效果,而来自其他方向的声音则会被衰减,常见于手持式麦克风和卡拉OK场合,此类型的极端为枪型指向(Shotgun)。
双指向式 双指向式(Bi-directional)可接受来自麦克风前方和后方的声音,实际应用场合不多。
 使用AudioExpress 可以方便的测试麦克风的指向性,方便的查看极性图。测试指向性,需要转台按照一定步数旋转麦克风,AudioExpress可以支持第三方的步进电机驱动器和转台,大大降低转台的成本。同时,也支持传统的IEEE控制的转台。AudioExpress 的极性图,可以离线挑选任意的频率曲线同时显示在极坐标图上。
      下图为一个实际麦克风通过AudioExpress测试得到的极性图。AudioExpress可以灵活设定频点和曲线属性。


 

 

4. 阻抗
      在麦克风规格中,都会列出阻抗值(单位为欧姆),根据最大功率传输定理(Maximum Power Transfer Theorem),当负载阻抗和麦克风阻抗批配时,负载的功率将达到最大值。不过在大部份阻抗不批配的情况下,麦克风依然能使用,也因此造成这项规格并未受到太大的重视。一般而言,低于600欧姆为低阻抗;介于600至10,000欧姆为中阻抗;高于10,000欧姆为高阻抗。例如像Shure SM58这支麦克风的阻抗值为300欧姆。
      测试阻抗,一般采集卡外部需要添加信号调理电路,章和电气提供阻抗

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