Звуковое давление меряем дома...

[Маша Синичкина]

...а точнее, в гараже. Но это не принципиально, правда? Главное, что меряем сами и практически подручными средствами.

В позапрошлом году я просто мечтала об этом, но увы, тогда мы не умели измерять и делали все вслепую.

Толчком послужила вот эта ветка на форуме SPL-клуба России. Спасибо ее автору, который, кстати, не только подробно поделится информацией с общественностью, но и терпеливо отвечал на мои глупые вопросы в Аське.

Дабы вам не надо было изучать всю ту длинную тему, перескажу наиболее интересное из нее.

Во-первых, для измерения звукового давления используется специализированный твердотельный датчик производства Мотороллы, который называется MPX4250. Этот датчик используется в официальном приборе SPL-клуба, термлабе. Логично и нам использовать его же. Особенно если учесть что он вполне доступен в свободной продаже (кстати, спасибо Тимофею за помощь в его приобретении) и стоит всего 100грн. Понятно, это не десять копеек, но в сравнении со стоимостью самого термлаба - эта цифра исчезающе мала...

Во-вторых, этот датчик измеряет давление в Паскалях и выдает на выходе напряжение, пропорциональное приложенному давлению. Для датчика MPX4250 это 20мВ на 1000Па. Причем точность преобразования гарантируется всем авторитетом великой и ужасной фирмы Моторола. В этой серии есть и другие датчики с другой чувствительностью и другими допустимыми давлениями - там коэф. преобразования надо смотреть в даташите. Почитать про них можно здесь.. Там же можно и скачать даташиты на них.
Теперь нам надо пересчитать Паскали во всеми любимые децибеллы. Так как децибелл величина определяющая отношение величин, а не сами величины, нам надо знать опорный уровень, относительно которого пляшем. Этот уровень принят 20мкПа, который соответствует среднестатистическому порогу слышимости "сферического уха в вакууме"... Не, не в вакууме... В вакууме звук распространяется только в "Звездных войнах". Пардон, отвлеклась.

Итак, считаем по этой формуле, беззастенчиво тянутой с Викпедии:



20мкПа - 0дБ
200мкПа - 20дБ
2мПа - 40дБ
20мПа - 60дБ
200мПа - 80дБ
2Па - 100дБ
20Па - 120дБ
200Па - 140дБ
2кПа - 160дБ

Теперь один тонкий момент, из-за которого я и терзала Dr.Gonzo в аське. У датчика нормируется нижний порог чувствительности в 20 килопаскалей, как же мерять два килопаскаля? А вот как. Дело в том, что мы все находимся под атмосферным давлением в 98килопаскалей, которое прибавляется к измеряемому. Вот так мы и выходим на линейную часть характеристики датчика.



При изменении давления изменяется и напряжение на выходе датчика. Вот это изменение, т.е. переменная составляющая выходного напряжения датчика нас и интересует, поскольку она пропорциональна звуковому давлению. Изменение атмосферного давления никак на измерениях не скажется, так как оно будет просто перемещать переменную составляющую вверх-вниз по линейной части передаточной характеристики датчика, никак не влияя на величину выходного сигнала.

В-третьих, как будем мерять? В принципе, можно просто измерять напряжение на выходе обычным милливольтметром переменного напряжения и пересчитывать в децибеллы по вышеприведенной формуле. Для датчика MPX4250 1кПа соответствует 20мВ.

Можно. Но! Зачем? Если у каждого из нас рядом универсальный прибор, называемый компьютер?
Значит делаем раз: находим SpectraLab. Где - не знаю, я лично нашла его у себя на винте...
Делаем два: ставим SpectraLab.
Делаем три: калибруем его. Про калибровку достаточно написано в ветке форума SPL-клуба, с которой все это началось. Позже я расскажу как калибровали мы.

В аттаче картинка платы с высоким разрешением. Для печати.

[Маша Синичкина]

Продолжаю.

Вот схема нашего варианта прибора.



Понятно, схемы той... всего ничего, но все-таки. Датчику надо питание. В отличие от оригинальной разработки мы, таки, застабилизировали ему питание. Использован обычный трехногий стабилизатор с положенными ему по штату конденсаторами. Диодик на входе - просто защита от переполюсовки. Светодиод сигнализирует о правильном подключении. Напряжение питания может быть от семи до двадцати с лишним вольт (сколько выдержит стабилизатор) ток потребления меньше 20мА, так что можно питать даже от кроны. Но если вы собираетесь питать его от кроны, лучше увеличить сопротивление, включенное последовательно со светодиодом и использовать светодиод поярче. Так как светодиод сейчас тянет половину тока всей схемы.

Теперь про RC-цепочку на выходе. Дело в том, что датчик почему-то очень шумит на частотах от одного килогерца и выше. Такой монотонно возрастающий шум до 20кГц. Так как рабочие частоты датчика лежат всяко ниже 100Гц, мы смело можем отфильтровать все что выше. Этим и занимается фильтрик первого порядка на R2 C3.

А вот так он выглядит в готовом виде.



Датчик нам достался исполенения CASE 867B-04 (индекс "AP" в наименовании), с "пиптиком", на который, как я полагаю, должна надеваться трубочка. Вобщем, этот пиптик мы через дырочку вывели наружу, пусть в него проистекает звук. Все остальные детали для поверхностного монтажа, так как мой ленивый муж очень не любит сверлить дырочки в печатных платах.

Технология изготовления платы очень проста: картинка с ее рисунком распечатывается, вырезается и наклеивается на фольгированный стеклотекстолит. Затем острым ножом, прямо по картинке прорезается фольга и лишнее удаляется. Плата зачищается, лудится, и детальки распаиваются. Все очень быстро. Помнится, этот приборчик он сделал с нуля за один вечер...

[Маша Синичкина]

Теперь немного про собственно измерение.

SpectraLAB был водружен на древний ноутбук IBM TP600. PII/266, если не ошибаюсь. В менюшке "Utilities" были включены окошки "Peak frequency" и "Peak Amplitude", а в менюшке "View" - "Time series" и "Spectrum".
Окна растаскиваем по панели Спектралаба как удобнее, мне понравилось вот так.



(правда здесь я сделала 800x600, что бы картинкой не рушить разметку форума. 1024x768 лучше)

В окне Spectrum мы видим, как вы наверное догадались, спектр входного сигнала, в окне Time Series - что-то вроде осциллограммы, в остальных двух окнах - понятно что: пиковый уровень в дБ и частоту этого пика.

Теперь идем в виндовый "Уровень записи" и выключаем все входы, кроме микрофонного. Движок микрофона тянем вверх, на максимум. (Там еще бывает чекбокс "+20дБ" - вот его включать не надо. В микрофонный вход ноутбука втыкаем джек и через резистор 3к подаем на него сигнал с внешнего генератора. (Почему через резистор? - а потому что такой же резистор стит в RC фильтре нашей коробочки с датчиком и при калибровке надо учесть его влияние.) Говорят, для этой цели можно использовать линейный выход звуковой карты (если карта, разумеется, со сквозным каналом) и какой-нибудь программный генератор, но мы не пробовали.

Выставляем с генератора сигнал с частотой 50Гц и напряжением несколько милливольт и смотрим как на спектрограмме растет палка на этой частоте, а на осциллограмме - синусоида. Да, чтоб это все увидеть, надо нажать кнопочку "Run" Птицу в чекбоксе "Peak Hold" пока не ставим.

Теперь надо бы проверить линейность микрофонного входа звуковой карты. Увеличиая напряжение сигнала на входе бука, мы должны видеть пропорциональный рост показаний "Peak Amplitude". До некоторого момента. Этот момент наступит когда рост показаний замедлится, а синусоида в окошке "Time Series" войдет в ограничение. Все, приехали, это предельный уровень. Для нашего бука этот уровень был примерно 30мВ. Так как сигнал с датчика при давлении 154дБ всего 20мВ - нам хватает. Если ограничение наступает раньше - есть два способа: либо уменьшить чувствительность микрофона движком в виндовом регуляторе, либо поставить на микрофонный вход резистивный делитель напряжения. Лично мне по душе второй способ. Так как калибруем мы один раз, и гораздо проще потом поставить движок на максимум, чем вспоминать в каком положении он был при калибровке в прошлый раз.

Калибровка. Жмем F9 и видим окно:



Вбиваем 154dB (уровень, соответствующий 1000Па) и подаем с генератора 20мВ (для датчика MPX4250). Жмем "Measure Input Signal" и ждем пока он откалибруется. Все, можно подключать датчик и измерять звуковое давление. Но, только на частоте калибровки. Так как никто не гарантирует линейности АЧХ самой карты на этих частотах. Что делать? А снять калибровочную таблицу. Изменяя частоту генератора, скажем, через пять герц от 40Гц до 100Гц и не меняя уровня входного сигнала, записать показания Peak Amplitude. И посмотреть на каких частотах, на сколько и в какую сторону он врет. Затем, при реальных измерениях, ориентируясь на показания Peak Frequency (не даром же мы включали это окошко), прибавлять или вычитать поправку показаний.

Измеряем.

Лепим датчик присосками на лобовое стекло в точку, определенную правилами соответствующей федерации. Подключаем питание датчика в прикуриватель. Сам датчик шнурком миниджек-RCA подключаем к буку. Захлопываем дверцу машины. Ставим птицу в чекбокс "Peak Hold" даем отмашку и дааааавим... Тридцать секунд...


У меня все. Спасибо за внимание.

PS Имя автора оригинального прибора - Березин Кирилл. Он попросил меня сообщить что существует коммерческая версия этого прибора. Все вопросы - к нему...

Добавление 2.5.07: Кирилл написал что при настройке Спектралаба желательно установить линейную шкалу частот. Тогда показания точнее. А здесь лежат уже готовые настройки.

[Маша Синичкина]

Теперь немного о компенсации частотной нелинейности звуковой карты.

Наш ноутбук дан нам в ощущениях как объективная реальность, и какая бы ни была звуковая карта в нем, такой приходится мерять. После того, как мы посмотрели частотную погрешность измерений - я ужаснулась. Завал на 25 герцах относительно ста герцев - около 12дБ. Делать нечего, надо думать как его компенсировать. Как я писала выше, можно составить калибровочную таблицу и вручную прибавлять-вычитать циферки из результата. А можно поступить красивее.

Спектралаб позволяет подключить компенсационную таблицу микрофона и оттуда брать поправки в зависимости от частоты. Табличка рисуется в обычном текстовом редакторе, сохраняется в ASCI-файл с расширением *.mic и подключается к спектралабу.

В двух словах про методику.

Жмем F5 и в поле "Microphone Comprnsation" снимаем птицу "Enable Comprnsation" - т.е. выключаем компенсацию если она была включена. Подаем на микрофонный вход сигнал с генератора напряжением 10..20мВ и, изменяя частоту сигнала от 25 до 100Гц, записываем показания "Peak Amplitude". Затем считаем разность показаний на каждой частоте, относительно опорной. За опорную я принимала 50Гц, на которой производилась калибровка программы. Удобно делать это в Экселе. Вот пример таблички, которая у меня получилась.



Теперь числа из колонки "D" переносим в текстовый файл такого вида:
25 -8,34
30 -7,21
.
.
.
и так далее. Разделители между столбцами - табуляция.
Сохраняем полученную табличку в файлик с именем, скажем, MPX4250.mic. Теперь в спектралабе снова жмем F5, ставим в чекбоксе птицу, которая разрешает подключение файла компенсации и вводим имя этого файла в соответствующее поле.



Все, теперь можно проверить генератором линейность АЧХ с микрофонного входа. Если она уложится в +-0.2дБ - на этом можно успокоиться. Если нет - тогда придется вручную подбирать значение каждой цифры в таблице. Так как промежуточные точки программа апроксимирует, наблюдается связь между соседними частотами: меняя значение поправки, скажем, на 60Гц, у нас уходят показания и на 55, и на 65Гц. Так что работа эта долгая и муторная...