Working standard microphone
ไมโครโฟนที่ใช้ในการตรวจวัดระดับเสียง
Measurement Microphone
ไมโครโฟนที่ใช้วัดเสียงเป็นไมโครโฟนที่ผ่านการสอบเทียบเพื่อใช้กับระบบการวัด เช่น เครื่องวัดระดับเสียง และวิเคราะห์ระดับเสียง ในรูปแบบต่างๆ ไมโครโฟนที่ใช้วัดเสียงเป็นประเภทของไมโครโฟนที่มีความแม่นยำและน่าเชื่อถือมากที่สุด แน่นอนว่าประสิทธิภาพที่สูงของไมโครโฟนเหล่านี้ต้องการมาตรฐานทางวิศวกรรมที่สูงมาก และข้อกำหนดของไมโครโฟนที่ใช้วัดนั้นมีความแตกต่างอย่างชัดเจนจากไมโครโฟนประเภทอื่น ๆ ซึ่งกำหนดโดยมาตรฐาน IEC แต่ไม่มีไมโครโฟนใดที่ถูกสร้างมาได้อย่างสมบูรณ์แบบ นี่คือเหตุผลที่ไมโครโฟนที่ใช้วัดเสียงจะต้องมีการสอบเทียบ เพราะการสอบเทียบทำให้ทราบถึงลักษณะของไมโครโฟน ตลอดอายุการใช้งานของไมโครโฟนว่ามีการเปลี่ยนแปลงสภาพหรือยังสามารถวัดค่าได้อย่างแม่นยำอยู่หรือไม่ Calibration chart ที่มาพร้อมกับไมโครโฟนถือเป็นเอกสารที่สำคัญที่ใช้ไว้อ้างอิง เพื่อให้แน่ใจว่าไมโครโฟนยังคงมีความถูกต้องในระยะเวลาที่เปลี่ยนแปลงไป ไมโครโฟนที่ใช้วัดเสียงต้องมีลักษณะที่มีความเสถียรเป็นพิเศษ ซึ่งในโลกนี้มีอยู่ไม่กี่ยี่ห้อที่สามารถผลิตไมโครโฟนที่มีคุณภาพสูงได้ เช่น Brüel&Kjær, GRAS, PLACID Instruments, PCB, Microtech Gefell ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหองปฏิบัติการทดสอบเสียงและงาน R&D ในยุโรป
มาตรฐาน IEC61094-4 สำหรับ Measurement microphone
ไมโครโฟนจะถูกออกแบบมาตามข้อกำหนดเป็นมาตรฐานสากลที่กำหนดโดยคณะกรรมการเทคนิคไฟฟ้าระหว่างประเทศ (International Electrotechnical Commission, IEC) ซึ่งครอบคลุมข้อกำหนดและวิธีการทดสอบสำหรับไมโครโฟนที่ใช้ในการวัดเสียง โดยจะมีส่วนประกอบภายในที่มีโครงสร้างในการทำงานโดยเมื่อคลื่นเสียงตกกระทบแผ่นไดอะแฟรม และองค์ประกอบของแผ่นโลหะด้านใน Backplate จะเกิดการสั่นสะเทือนและสร้างสนามเสียงและมีการแลกเปลี่ยนประจุที่จะเกิดเป็นแรงดันทางไฟฟ้า
เรื่องของระบบไฟฟ้าที่ใช้ และความแตกต่างกันของ Externally polarized และ Prepolarized
Externally polarized
คือการให้แรงดันโพลาไรซ์ 200 V จากภายนอกที่จ่ายให้กับระบบแอมพลิฟาย หรือในบางเครื่องมือวัดทางเสียงจะสามารถ supply แรงดันเหล่านี้ได้ ซึ่งส่วนใหญ่จะนิยมใช้งานกับไมโครโฟนที่ต้องการความแม่นยำที่สูงมาก หรือการวัดเสียงในสภาวะ low-noise เพราะต้องการพลังงานในการตรึงประจุภายใน หากคุณทำการวัดที่ต้องการความแม่นยำอย่างมาก แนะนำให้ใช้ไมโครโฟนแบบมีการโพลาไรซ์ภายนอก ซึ่งเป็นไมโครโฟนที่มีความแม่นยำและเสถียรที่สุด และส่วนใหญ่จะราคาสูง
Prepolarized
คือระบบที่ไม่ต้องการแหล่งจ่ายแรงดันจากภายนอก ซึ่งจะพบได้มากในไมโครโฟนระดับ working standard microphone แต่อย่างไรก็ตามเครื่องมือวัดมาตรฐานก็ยังจะมีการเชื่อมต่อกับระบบแอมพลิฟายที่เรียกว่า IEPE หรือ ICP หรือ CCP ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต ซึ่งระบบนี้ก็สามารถวัดระดับเสียงทั่วไปได้อย่างแม่นยำเช่นกัน แต่ในเรื่องของความเสถียรเมื่อใช้งานในระยะยาว หรืออยู่ในสภาวะแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงสูงจะส่งผลต่อของความแม่นยำและความเสถียรได้มากกว่า และราคาจะประหยัดว่าแบบ Externally polarized
Sensitivity ค่าความไว
คุณลักษณะที่สำคัญซึ่งปรากฏในข้อกำหนดสำหรับไมโครโฟนวัดทุกชนิดคือความไววงจรเปิด (open-circuit sensitivity) ความไววงจรเปิดของไมโครโฟนวัดจะบอกถึงแรงดันไฟฟ้าที่คาดหวังที่ขั้วเอาต์พุตของไมโครโฟนสำหรับทุกหน่วยของความดันเสียงที่กระทำบนไดอะแฟรม (เมื่อไมโครโฟนไม่ได้ต่อกับพรีแอมพลิฟายเออร์) หน่วยวัดคือ mV/Pa (มิลลิโวลต์ต่อปาสคาล) ซึ่งจะพบใด้ใน Calibration chart เมื่อซื้อไมโครโฟนมาใช้งาน ซึ่งจะเป็นค่าเฉพาะตัวของไมโครโฟนตัวนั้นๆ เราอาจจะเห็นได้ว่าเราซื้อไมโครโฟนยี่ห้อเดียวกัน หรือ type เดียวกันแต่ใน calibration chart จะมีค่า sensitivity ที่ไม่เท่ากันซึ่งโดยส่วนใหญ่อาจจะมีค่าที่แตกต่างกันเล็กน้อย
ซึ่งค่า Sensitivity จะมีตั้งแต่ค่าความไวต่ำเช่น 0.4 mV/Pa จนถึง 100 mV/Pa ซึ่งจะเป็นการทดสอบ pressure sensitivity ที่ความถี่ 250Hz ในไมโครโฟนระดับ working standard โดยทั่วไปค่าความไวจะอยู่ที่ 10 – 50 mV/Pa ซึ่งค่าความไวนี้ไม่เป็นเป็นตัวบ่งบอกว่าไมโครโฟนตัวไหนดีหรือไม่ดี แต่ขึ้นกับการนำมาใช้งานว่าเราต้องการวัดค่าเสียงในลักษณไหน เช่นหากต้องการวัดเสียงที่มีระดับเสียงเบามากๆ หรือ low noise ค่าความไวของไมโครโฟนจะเป็นความไวสูง หรือถ้าต้องการใช้งานวัดเสียงที่มีระดับเสียงดังมากก็ไม่จำเป็นต้องเลือกไมโครโฟนที่มีค่าความไวสูง
Frequency response การตอบสนองความถี่
ไมโครโฟนทุกประเภทจะมีกราฟที่เรียกว่า Frequency response หรือการตอบสนองความถี่เมื่อมีแรงมากระทำในแต่ละความถี่ โดยที่การทดสอบคือใช้การป้อนสัญญาณโดยใช้ Actuator เป็นตัว exciter ผ่านไดอะแฟรม และวัดค่าการตอบสนองในแต่ละความถี่ โดยส่วนใหญ่เราจะเห็นว่าที่ช่วงความถี่ที่สูงมากๆ จะมีค่าการตอบสนองความถี่ที่เปลี่ยนไป ซึ่งการใช้ Actuator ถือเป็นมาตรฐานสากลในการทดสอบ Frequency response ซึ่งในบางผู้ผลิตจะมีค่าแก้ไข หรือ Correction เช่น Free-field correction หรือ Pressure-field correction ให้มา หรือสามารถสอบถามค่าเหล่านี้ได้จากผู้ผลิต
ปัจจัยที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของไมโครโฟน
การออกแบบและโครงสร้างของไมโครโฟน
- วัสดุของไดอะแฟรม: วัสดุที่ใช้ทำไดอะแฟรมมีผลต่อความไวของไมโครโฟน ไดอะแฟรมที่ทำจากวัสดุที่เบาและยืดหยุ่นจะมีการตอบสนองต่อความดันเสียงได้ดีกว่า
- ขนาดและรูปทรงของไดอะแฟรม: ไดอะแฟรมที่ใหญ่กว่าจะมีความไวสูงกว่าเนื่องจากพื้นที่ที่มากกว่าที่จะรับแรงดันเสียง
- ช่องอากาศระหว่างไดอะแฟรมและ Backplate: ขนาดของช่องว่างนี้จะส่งผลต่อการตอบสนองความถี่และความไว
การออกแบบพรีแอมพลิฟายเออร์
- คุณภาพและการออกแบบของพรีแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้ร่วมกับไมโครโฟนมีผลต่อความไวโดยตรง พรีแอมพลิฟายเออร์ที่มีการตอบสนองไม่ดีอาจลดประสิทธิภาพของไมโครโฟนรวมถึงสัญญาณรบกวนที่จะเกิดขึ้น
แรงดันโพลาไรซ์
- ไมโครโฟนที่เป็น Externally polarized ต้องการแรงดันไฟฟ้าภายนอกเพื่อสร้างประจุไฟฟ้าระหว่างไดอะแฟรมและแผ่นหลัง แรงดันโพลาไรซ์ที่ไม่คงที่อาจทำให้ความไวของไมโครโฟนมีการเปลี่ยนแปลงและไม่เสถียร
อุณหภูมิ
- การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสามารถทำให้ค่าความไวเปลี่ยนแปลง วัสดุที่ใช้ในไมโครโฟนอาจมีการขยายตัวหรือหดตัวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน ซึ่งส่งผลต่อการตอบสนองของไมโครโฟน
ความชื้น
- ความชื้นสามารถส่งผลต่อความไวของไมโครโฟนโดยการทำให้วัสดุที่ใช้ในไมโครโฟนเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ เช่น ไดอะแฟรมที่ทำจากวัสดุที่ดูดซับความชื้นได้ดีจะมีความไวที่เปลี่ยนแปลงเมื่อระดับความชื้นเปลี่ยน
ความดันบรรยากาศ
- โดยทั่วไปความดันบรรยากาศจะส่งผลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น แต่มีบางการใช้งานที่ต้องใช้ในงานการบินและอวกาศผู้ใช้งานจะต้องพิจรณาถึงการใช้ค่าแก้ หรือ correction ตามที่จำเป็น
การสึกหรอและการเสื่อมสภาพ
- การใช้งานไมโครโฟนเป็นเวลานานสามารถทำให้ค่าความไวลดลงเนื่องจากการสึกหรอของส่วนประกอบภายในไมโครโฟน หรือการตกกระแทก
การสอบเทียบและการบำรุงรักษา
- ไมโครโฟนที่ไม่ได้รับการสอบเทียบอย่างสม่ำเสมอ ทำไห้เราไม่สามารถรู้ได้เลยว่ามีการเปลี่ยนแปลงใดๆไปจากระยะเวลาที่ใช้งาน ซึ่งแยะยำให้มีการสอบเทียบทุก 1 ปี หรือหากไม่ได้รับการบำรุงรักษาที่ดีเช่นมีฝุ่นจำนวนมากที่ไดอแฟรม อาจทำให้ค่าความไวที่ไม่เสถียร
บทความเผยแพร่โดย Acoustic Laboratory (Thailand) Co., Ltd.