Budowa niedrogiego, skalibrowanego mikrofonu pomiarowego

Celem tego projektu jest zbudowanie niedrogiego mikrofonu pomiarowego przy użyciu taniego elektretowego mikrofonu pojemnościowego (ECM) i kilku innych elementów. WM61A i alternatywne ECM (Electret Condenser Microphones) wymienione poniżej kosztują zaledwie kilka dolarów za sztukę. Jeśli obudowę zbudujesz z materiałów wtórnych, możesz stworzyć dobry mikrofon za mniej niż 40 USD. To świetny wynik, jak na początek.

Dostarczone przez nas pliki kalibracyjne umożliwiają pomiar pasma przenoszenia z dokładnością do ±2 dB w zakresie od 20 Hz do 20 kHz.

Zasilanie opisanego w artykule mikrofonu jest dostarczane liniami sygnałowymi z przedwzmacniacza mikrofonowego lub miksera. Mówimy więc o tzw. zasilaniu fantomowym. Takie warunki pracy może zapewnić nasz przyrząd do testowania głośników (Speaker Test Jig, opublikowany w wydaniu z czerwca 2023 r. siliconchip.au/Article/15821), podobnie jak kilka innych projektów Silicon Chip i większość komercyjnych przedwzmacniaczy mikrofonowych. Pozwala to uniknąć konieczności stosowania baterii, ponadto taka konfiguracja mikrofonów jest powszechnie stosowana i wspierana.

Jeśli chcesz zbudować mikrofon pomiarowy, możesz wykorzystać mikrofony elektretowe dostępne w sklepie internetowym Silicon Chip. Do każdego z nich przygotowano specjalny plik kalibracyjny opisujący indywidualną charakterystykę częstotliwościową mikrofonu. Dostępne mikrofony są ponumerowane – wystarczy pobrać plik odpowiadający numerowi mikrofonu, aby otrzymać dokładne dane kalibracyjne, które pozwolą na precyzyjne pomiary. Dysponujemy również instrukcjami dotyczącymi dostosowywania charakterystyki częstotliwościowej mikrofonu do użytku wokalnego lub instrumentalnego.

Dążenie do płaskiej charakterystyki częstotliwościowej

Jak można osiągnąć płaską charakterystykę częstotliwościową? Na rysunku 1 porównano surową charakterystykę dwóch wkładek WM61A z naszym referencyjnym mikrofonem Dayton EMM-6. Jest to sytuacja przed zastosowaniem pliku kalibracyjnego. Przesunięcie krzywych o 10...12 dB wynika z tego, że mikrofony te są bardziej czułe niż EMM-6. Należy zwrócić uwagę na to, że charakterystyki ledwo wykraczają poza zakresy 9 dB...11 dB/11 dB...13 dB, które reprezentują odchylenie ±1 dB od średniej.

Rysunek 1. Porównanie charakterystyk dwóch mikrofonów elektretowych WM61A za 2 dolary z naszym mikrofonem Dayton EMM-6. Jest to charakterystyka nieskalibrowana. Możemy dostarczyć mikrofony z plikami kalibracyjnymi, które zmniejszą występujące tu błędy. Przesunięcie o około 10 dB/12 dB dla dwóch próbek oznacza, że mikrofony te są znacznie bardziej czułe niż Dayton EMM-6, którego czułość jest szacowana na –40,3 dBV/Pa

Wykonując to porównanie, umieściliśmy mikrofony w odległości kilku milimetrów od tego samego punktu, co mikrofon referencyjny. Uważamy, że pokazana charakterystyka jest całkiem dobra jak na tak prostą i tanią konstrukcję.

Jak wspomniano wcześniej, oferowane przez nas mikrofony są dostarczane z danymi kalibracyjnymi, które umożliwiają skorygowanie błędu 1 dB...2 dB. Dokładność kalibracji jest ograniczona przez nasz mikrofon referencyjny Dayton, chociaż jesteśmy pewni, że powyżej 50 Hz jest ona płaska w zakresie kilku decybeli.

Mikrofon Behringer ECM8000 kosztuje około 80 USD, podczas gdy ceny mikrofonu Dayton EMM-6 zaczynają się od około 140 USD. Jak wspomniano wcześniej, opisany w artykule mikrofon można zbudować za około 40 USD, a może nawet taniej.

Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do naszego mikrofonu, ECM8000 jest dostarczany bez pliku kalibracyjnego. Dzięki temu projektowi można zatem osiągnąć całkiem dobrą charakterystykę w bardzo przystępnej cenie.

Aby wydobyć najlepsze cechy mikrofonu, konstrukcja zawiera przedwzmacniacz z zasilaniem fantomowym i zbalansowany bufor wyjściowy oparty na standardowej w branży „beztransformatorowej konstrukcji Schoeps”. Została ona opracowana w latach 60. i jest stosowana w szerokiej gamie mikrofonów profesjonalnych i pomiarowych. Dodaliśmy sekcję wejściową i filtrującą, aby dopasować ją do prezentowanych tutaj wkładek.

Konstrukcja mikrofonu jest zbliżona do rozwiązań konwencjonalnych, więc niniejszy projekt pozwala stworzyć elektretowy mikrofon pojemnościowy ogólnego przeznaczenia z zasilaniem fantomowym. Jak zobaczysz później, uwzględniliśmy możliwość dostrojenia jego charakterystyki. W naszej aplikacji ma to na celu uzyskanie płaskiej charakterystyki, ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby użyć tej możliwości do dostosowania odpowiedzi mikrofonu do wokalu lub instrumentów.

Jak to możliwe, że dobry mikrofon elektretowy można kupić już za dwa dolary? Wynika to z faktu, że mikrofony te są bardzo prostymi elementami, wytwarzanymi masowo w ogromnych ilościach. Jak pokazano na rysunku 2, działają one na zasadzie przesuwania bardzo cienkiej membrany względem płyty tylnej, która jest połączona (zazwyczaj) z bramką tranzystora FET. Pomiędzy nimi powstaje ładunek, a pojemność między membraną a płytą tylną zmienia się, gdy dźwięk porusza membraną.

Rysunek 2. Przekrój elektretowego mikrofonu pojemnościowego (ECM). Wewnętrzny tranzystor FET wzmacnia niewielkie napięcie AC generowane przez membranę poruszającą się względem naładowanej płyty tylnej

Efekt ten można opisać wzorem: C=ε₀×A÷d, gdzie d to odległość między membraną a płytą tylną, A to powierzchnia płyty, a ε0 to stała odpowiadająca przenikalności elektrycznej próżni. Ładunek między płytkami Q jest stały, a ponieważ C=Q÷U, więc wraz ze zmianą pojemności pod wpływem dźwięku zmienia się napięcie (U). Napięcie to steruje tranzystorem FET.

Ponieważ mikrofony są małe, a membrana niezwykle lekka, urządzenia te mogą mieć doskonałe pasmo przenoszenia do bardzo wysokich częstotliwości przy niewielkim rezonansie.

Mikrofony Panasonic WM-60A i WM-61A są legendarnymi wręcz przykładami i mają wyjątkowo użyteczne pasmo przenoszenia od 20 Hz do 20 kHz. W przeszłości były one podstawowym typem mikrofonów pomiarowych DIY. Były komponentem używanym w szerokiej gamie urządzeń, w tym w telefonach. Oznacza to, że produkowano je w milionach sztuk, a zatem były tanie.

Panasonic przestał je produkować na początku XXI. wieku, co niektórzy wiążą ze schyłkiem telefonów dawnego typu. Mikrofony elektretowe Panasonic nadal można nabyć na wyprzedażach, ale wielu często można trafić na odpowiedniki mikrofonów 6 mm oferowanych jako WM-61A. Kupiliśmy dużą ilość prawdziwych „nowych starych” elementów (NOS), wszystkie z jednej partii, zmierzyliśmy ich charakterystykę i oferujemy je na sprzedaż.

Zanim znaleźliśmy partię starych WM61A, kupiliśmy i przetestowaliśmy ogromną liczbę mikrofonów elektretowych. Z naszego doświadczenia wynika, że te o płaskich charakterystykach do 20 kHz, mają zwykle średnicę 6 mm, a więc są dość małe. Większe, 10-milimetrowe, generalnie wykazują znaczny pik w charakterystyce częstotliwościowej między 5 kHz a 10 kHz, i z tego powodu nie są idealne do zastosowań pomiarowych.

Dlatego wszystkie zalecane przez nas mikrofony elektretowe mają rozmiar 6 mm. Dowiedzieliśmy się również, że większość dostępnych mikrofonów nie może być używana w tym projekcie, ponieważ wykazują lokalne maksima i minima charakterystyki, wiele z nich powyżej 10 dB. Nierównomierności tych nie można skompensować przez kalibrację.

Praktycznie wszystkie odpowiednie mikrofony, które udało nam się znaleźć, są dostępne w sklepie internetowym Silicon Chip – wraz z wymaganymi elementami kalibracyjnymi SMD, wszystkie w podobnych cenach.

Przekonaliśmy się również o tym, że nie ma idealnego mikrofonu, który zapewni akceptowalne osiągi bez kalibracji lub przynajmniej wyrównania natywnej odpowiedzi wkładki. Stare mikrofony Panasonic WM61A są zwykle bardziej spójne niż większość nowoczesnych produktów alternatywnych, ale nadal mogą występować znaczne różnice w charakterystyce częstotliwościowej w zależności od partii.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz