Mikrofony pomiarowe w automotive i NVH

Wstęp

Sfera przemysłu automotive zawsze była podatnym gruntem dla innowacji i postępu technologicznego. Konieczność zbadania każdego aspektu pojazdu w najdrobniejszych szczegółach doprowadziła do opracowania wielu unikalnych rozwiązań, również w dziedzinie pomiarów akustycznych i elektroakustycznych.

Transformacja motoryzacyjna w kierunku samochodów elektrycznych i idące za tym, konsekwencję, m.in w kwesti użycia lżejszych materiałów do zoptymalizowania zasięgu przejazdów, narzuca potrzebę opracowania wielu nowych metod izolacyjności akustycznej wraz z weryfikacją ich w praktyce. 

W poniższym artykule przyjrzymy się rozwiązaniom pomiarowym zarówno w kontekście mikrofonów jak i systemów akwizycji w tym analizatorów audio, pozwalających na wykonanie testów na różnych etapach, od momentu projektowanie, i pomiarów R&D po poprodukcyjne testy komponentów i gotowych produktów.

Pomiary dźwięku w kabinie samochodu -
​jaki mikrofon wybrać?

Dobór mikrofonów do konkretnych pomiarów odbywa się najczęściej na podstawie:

• dostosowania do konkretnego pola akustycznego
• zakresu dynamiki i zakresu częstotliwości mikrofonu
• czułości, szumów własnych
• typu polaryzacji
• rozmiaru mikrofonu 
• dopasowania do konkretnych warunków atmosferycznych 

Z powyższych cech, pierwszym czynnikiem kompatybilności mikrofonu z pomiarami jest dostosowanie do konkretnego pola akustycznego. Obecnie dostepne są 3 główne typu mikrofonów: pola swobodnego (FF), pola rozproszonego (RF) i pola ciśnieniowego (PF).

Szczegółowy opis dostosowania w do pola akustycznego dostępny jest w artykule “Mikrofony pomiarowe - dobór na podstawie pola akustycznego” natomiast w uproszczeniu możemy przyjąć, że:

• pole swobodne, jest przestrzenią w której do mikrofonu dociera jedynie fala bezpośrednia ze źródła dźwięku 
• pole rozproszone, jest przestrzenią, w której do mikrofonu docierają jedynie odbite fale akustyczne
• pole ciśnieniowe, małą przestrzenią w której umieszczony jest mikrofon np. kalibrator akustyczny

Rys. 1 - odpowiedź częstotliwościowa mikrofonu GRAS 146AE w warunkach pola swobodnego.

Pole swobodne

Na Rys.1 przedstawiona została odpowiedź częstotliwościowa mikrofonu GRAS 146AE, w warunkach bezechowych, czyli przestrzeni w której do kapsuły mikrofonu docierały jedynie fale bezpośrednie. GRAS 146AE jest mikrofonem dedykowanym do pola swobodnego dlatego widzimy, że jego odpowiedź, częstotliwościowa jest płaska w całym zakresie pomiarowym. 

Główny problem stanowi fakt, że pole swobodne, względem które dokonywana jest korekcja mikrofonu, występuje w silnie kontrolowanych warunkach. np w komorach bezechowych. Samo przesunięcie źródła dźwięku względem mikrofonu, nawet przy pomiarach w komorach bezechowych wpłynie na otrzymanie innej odpowiedzi częstotliwościowej. Wpływ różnego kąta padania fali, przedstawiony został na Rys.2

Rys. 2 - wartość korekcji na pole swobodne przy różnych kątach padania fali.

Pole rozproszone i ciśnieniowe

Podobnie jak w przypadku pola swobodnego, warunki rozproszone i ciśnieniowe stanowią wyidealizowany model przestrzeni, względem której dokonywana jest korekcja.

Rys. 3 - odpowiedź częstotliwościowa mikrofonu GRAS 46AQ w warunkach pola rozproszonego (górna krzywa) i warunkach pola ciśnieniowego (dolna krzywa)

Różnica pola akustycznego, ma również duży wpływ podczas kalibracji mikrofonu. Przykładem mogą być mierniki dźwięku, które najczęściej wyposażone są w mikrofonu do pola swobodnego. W przypadku umieszczenia takiego mikrofonu w kalibratorze akustycznym, należy uwzględnić małą poprawkę, ponieważ zmiana z pola swobodnego na ciśnieniowe, zmieni odpowiedź częstotliwościowa mikrofonu.

Mikrofony pola mieszanego

Nowym podejściem do tematu przestrzeni akustycznych jest powstanie kolejnego rodzaju korekcji określanej jako “Multifield”. Przykłądem takie mikrofonu jest GRAS 46BC, którego korekcja została uśredniona dla idealnego pola akustycznego, będącego pomiędzy polem swobodnym i polem rozproszonym.

Rys. 4 - mikrofon pomiarowy  GRAS 46BC - mikrofon pola mieszanego o wysokiej czułości

Kabina samochodu jest świetnym przykładem niejednorodnej przestrzeni akustycznej wynikającej m.in z:

• różnych źródeł dźwięku interferujących ze sobą
• połączenia materiałów pochłaniających i odbijających dźwięk
• różnym kątom padania fal
• zmianami poziomu różnych źródeł w czasie

W tym wypadku zastosowanie mikrofonu dedykowanego konkretnemu polu akustycznemu, może powodować błędy w pomiarach odpowiedzi częstotliwościowej oraz innych parametrów np. szumów i zniekształceń THD.

Rys. 5 - odpowiedź częstotliwościowa mikrofonu GRAS 46BC w różnych przestrzeniach akustycznych: pole swobodne, pole rozproszone i poradnik elektrostatyczny

Rozmiar mikrofonu: ¼” czy ½”

Typowym i najbardziej popularnym standardem w mikrofonach pomiarowych są kapsuły o średnicy ½” pozwalające, na pokrycie szerokiego zakresu częstotliwościowego (3,15 Hz- 20 kHz)  i dynamicznego (18 dBA - 138 dB). Należy pamiętać, że mikrofon nadal stanowi fizyczną przeszkodę dla fali akustycznej, która w przypadku niskich częstotliwości nie będzie miała wpływu, natomiast przy wyższych może powodować, odbicia fali od obudowy mikrofonu.

Aby mikrofon nie stanowił przeszkody dla fali akustycznej powinna być spełniona zależność opisana we Wzór 1, w której jest długością fali, 2a średnicą  mikrofonu. Zgodnie z powyższym wzorem górny limit dla mikrofonów ½” to 8000 hz, a ¼” ok. 16000 Hz. Dla wyższych częstotliwości obudowa mikrofonu zacznie wpływać na wynik, który oczywiście podlega korekcji dla zoptymalizowania pracy mikrofonu, jednak dalej wykonywana jest ona dla wyidealizowanych warunków konkretnego pola akustycznego.

Rys. 6 - efekt dyfrakcji fali akustycznej na obudowie mikrofonu

 Z tego powodu zaleca się stosowanie mikrofonów o możliwie małych rozmiarach. Wybór mikrofonów o mniejszej średnicy np ¼” pozwoli nam oddalić się od częstotliwości krytycznej i tym samy od nieoczekiwanych błędów pomiarowych. Rozszerza to częstotliwościowy zakres pomiarowych do 80 kHz, a w przypadku mniejszych membran nawet do 140 kHz.   

Rys. 7 - mikrofony pomiarowe GRAS o średnicy ¼” z dedykowanym uchwytem spełniającym zaleca AES w zakresie pomiarów Automotive.

Problem z czułością i szumami własnymi

Redukcja rozmiaru membrany niesie niestety pewne konsekwencję. Zmniejszenie membrany, oraz tym samym jej naprężenia powoduje zmniejszenie czułości mikrofonu. Niesie to konsekwencje związane z szumami własnymi i podniesienie dolnej granicy pomiarowej, przykładowo w mikrofony GRAS 46BE do 35 dBA. W przypadku wielu typów pomiarów, nie jest to problem, poza tym niesie to również możliwość rozszerzenia górnej granicy pomiarowej (w tym przypadku do 160 dB), natomiast w pomiarach automotiv, rejestracja niuansów o niskim poziomie dźwięku, również stanowi ważne zagadnienie.

Zakres dynamiki mikrofonu GRAS 46BC poprzez różne operacje konstrukcyjne. m.in. redukcję naprężenia membrany, pozwala na znaczne podwyższenie czułość i obniżenie szumów własnych mikrofonu pozwalając na pomiary w zakresie 24 dBA - 145 dB

Rys. 8 - szumy własne mikrofonu GRAS 46BC skorygowane krzywą A

Inne wymagania pomiarowe

Pomiary NVH oraz inne analizy akustyczne nie kończą się jedynie na stosunkowo komfortowych pod kątem warunków atmosferycznych, pomiarów w kabinie samochodu. Szereg pomiarów związanych z pracą silnika, hamulców, hałasu aerodynamicznego, czy innych testów zmęczeniowych wymaga zastosowania dedykowanego mikrofonu spełniającego często oprócz wymagań akustycznych, wymagania atmosferyczne, czy odpornosć na upadki, zakurzenia, czy nawet zalania. 

W naszej ofercie posiadamy szereg gotowych rozwiązań dedykowanych poszczególnym rodzajom pomiarów, które w każdej chwili mogą zostać dostosowane pod wewnętrzne wymagania. Na Rys. 9 przedstawione zostały poszczególne modele mikrofonów rekomendowane do poszczególnych przestrzeni i typów pomiarów.

Rys. 9 - mikrofony gras w pomiarach akustycznych automotiv