마이크로 사운드 측정

개요

본 문서는 사운드 압력의 기본 내용과 마이크의 작동 방식은 물론, 다양한 센서 스펙이 어플리케이션의 마이크 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 이해하는 데 도움이 되는 정보를 제공합니다.


센서 특성은 물론, 마이크 측정을 적절히 컨디셔닝하고 측정치를 수집 및 시각화하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어도 고려해야 합니다. 예를 들어 인간의 귀의 반응과 비교 가능한 포맷으로 데이터를 표현하기 위해, 사운드 압력 신호에 대한 옥타브 분석과 같은 신호 프로세싱을 수행해야 합니다. 마이크 측정에 필요한 측정 하드웨어 및 소프트웨어 프로세싱에 대해 자세히 알아보려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드하십시오.

내용

사운드 압력의 정의     

인간의 귀에서 감지할 수 있는 공기나 물 등의 각종 매개체에서 일어나는 압력의 변이를 사운드라고 합니다. 인간의 고막은 압력 진동 또는 사운드를 전기적 신호로 변환하고, 뇌에서는 이를 음악, 말, 소음 등으로 해석합니다. 마이크는 이와 동일한 역할을 수행하도록 설계된 장치입니다. 변환 후에는 신호를 기록하고 분석하여 사운드 소스에서 마이크로 사운드가 전달된 경로의 특성에 대한 정보를 수집할 수 있습니다. 예를 들어 소음, 진동 및 강도 테스트에서, 엔지니어는 일반적으로 승객들이 운행 중에 차 안에서 듣게 되는 소음과 같은 원하지 않는 사운드를 줄이고자 합니다. 이런 사운드에는 사람의 귀가 특정 공명 주파수에서 감지 또는 증폭할 수 있는 주파수를 초과하거나 그 미만인 사운드가 포함될 수 있습니다. 이러한 측정은 방출 표준을 충족하도록 소음을 줄이거나 성능 및 수명 요건을 충족하도록 장비를 특성화해야 하는 시스템 설계자에게 매우 중요합니다.

사운드 압력은 가장 보편적으로 수행되는 측정 작업입니다. 사람이 사운드에 노출되고 사운드 압력을 감지할 수 있기 때문입니다. 파스칼(Pa) 단위로 측정되는 사운드 압력 수준은 리시버가 사운드를 인지하는 정도를 나타냅니다. 또한 사운드 소스의 사운드 출력도 판별할 수 있습니다. 와트(W) 단위로 측정되는 사운드 출력 수준은 모든 방향에서 방사되는 음향 에너지의 총계를 나타냅니다. 사운드 출력은 공간, 리시버 또는 사운드 소스로부터의 거리를 비롯한 주변 환경의 영향을 받지 않습니다. 출력은 사운드 소스의 속성인 반면, 사운드 압력은 환경, 반사면, 리시버의 거리, 주변 사운드 등에 따라 달라집니다.

 

마이크의 작동 방식

마이크 디자인은 여러 가지가 있지만 계측에 사용되는 가장 보편적인 마이크는 외부 전원 공급형(Externally Polarized) 콘덴서 마이크, 전원 내장형(Prepolarized) 일렉트릿 콘덴서 마이크, 압전형(Piezoelectric) 마이크입니다.

그림 1. 마이크는 음향파를 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서입니다.

 

콘덴서 마이크

콘덴서 마이크는 캐패시터가 포함된 설계로 작동합니다. 콘덴서 마이크는 커패시터의 한쪽 평판을 형성하고 있는 편평한 철제 가로막으로 되어 있습니다. 가로막 가까이에 위치한 금속 디스크가 백플레이트의 역할을 합니다. 사운드 영역이 가로막을 자극하면, 두 평판 사이의 커패시턴스가 사운드 압력 차이에 따라 변동합니다. 안정된 DC 전압이 높은 저항을 통해 플레이트에 적용되어 플레이트의 전하를 유지합니다. 전기용량이 변화하면 사운드 압력에 비례하여 AC 출력이 생성됩니다. 이 커패시터의 충전력은 전원 내장형 마이크와 마찬가지로 재질 자체의 속성이나 외부 극성 전압에 의해 생성됩니다. 외부 전원 공급형 마이크는 200 V 전압의 외부 전원 공급장치가 필요합니다. 전원 내장형 마이크의 전원은 정전류 사운드 소스가 필요한 IEPE 전치 증폭기로 제공합니다.

 

그림 2. 가장 일반적인 계측용 마이크인 콘덴서 마이크는 캐패시터가 포함된 설계로 작동합니다.

 

압전형(Piezoelectric) 마이크

압전형 마이크는 결정 구조를 사용하여 백플레이트 전압을 생성합니다. 대부분의 압전형 마이크는 가속도계와 동일한 신호 컨디셔닝을 사용하며 극성 전압을 제공하기 위해 IEPE 신호 컨디셔닝을 사용할 수 있습니다. 이러한 센서형 마이크는 감도가 낮지만, 내구성이 뛰어나며 고진폭 압력 범위를 측정할 수 있습니다. 반면, 이 마이크 유형의 플로어 노이즈 수준은 일반적으로 높습니다. 이러한 유형의 마이크는 충격 및 폭풍압 측정 어플리케이션에 적합합니다.

 

적합한 마이크를 선택하는 방법

응답 영역

마이크를 작동시킬 영역 유형에 가장 적합한 마이크를 선택해야 합니다. 측정 마이크에는 자유 영역, 압력 영역, 불규칙 입사의 세 가지 유형이 있습니다. 이러한 마이크들은 저주파수 대역에서는 유사하게 작동하지만, 고주파수 대역에서는 다르게 작동합니다.

자유 영역 마이크는 단일 사운드 소스의 사운드 압력을 마이크 가로막에서 직접 측정합니다. 사운드 압력은 사운드 영역에 마이크가 배치되기 전에도 존재하며, 이 마이크는 사운드 압력을 측정합니다.  자유 영역 마이크는 단단한 표면 또는 반사면이 없는 개방된 공간에서 최적의 성능을 발휘합니다. 무반향실 또는 넓은 개방된 공간은 자유 영역 마이크를 사용하는 데 이상적인 공간입니다.

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그림 3. 자유 영역 마이크

 

압력 영역 마이크는 가로막 앞의 사운드 압력을 측정하도록 설계되었습니다. 이 마이크는 영역의 모든 위치에서 동일한 크기 및 위상을 가집니다. 일반적으로 파장에 비해 소형인 엔클로저 또는 구멍에 장착됩니다. 압력 영역 마이크의 적용 예로는 벽, 항공기 날개, 또는 튜브나 덮개, 구멍과 같은 내부 구조에 가해지는 압력 테스트가 있습니다.

그림 4. 압력 영역 마이크

 

대부분의 경우 사운드는 단일 사운드 소스에서 전달되지 않습니다. 불규칙 입사 또는 확산 영역 마이크는 모든 각도에서 도착하는 사운드에 일정하게 응답합니다. 이 유형의 마이크는 단단한 반사벽이 있는 장소 또는 교회에서 사운드를 측정할 때 사용합니다. 그러나 대부분의 마이크에서는 압력 및 불규칙 입사 응답이 유사하므로, 압력영역 마이크가 불규칙 입사 측정을 위해 자주 사용됩니다.

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그림 5. 불규칙 입사 마이크

 

동적 범위

사운드를 설명하는 주요 기준은 사운드 압력 변동의 진폭을 기반으로 합니다. 일반적으로 건강한 인간의 귀에서 감지할 수 있는 가장 낮은 진폭은 20 마이크로 파스칼(20 μPa)입니다. 파스칼로 표현되는 압력 수치는 일반적으로 낮아서 쉽게 관리할 수 없기 때문에, 훨씬 보편적으로 사용할 수 있는 데시벨(dB) 단위가 개발되었습니다. 이 로그 스케일 단위는 압력 변동에 대한 사람의 귀의 응답 반응에 보다 잘 부합합니다.

마이크 제조업체는 마이크의 설계 및 물리적 특성에 따라 최고 데시벨 수준을 지정합니다. 지정된 최고 dB 수준은 가로막이 백플레이트에 접근하거나 총 고조파 왜곡(THD)이 지정된 양(일반적으로 THD의 3%)에 도달하는 지점을 나타냅니다. 특정 어플리케이션에서 마이크가 출력하는 최대 데시벨 수준은 공급된 전압과 해당 마이크의 민감도에 따라 달라집니다. 특정 전치 증폭기와 해당 피크 전압을 사용하여 마이크의 최고 출력을 계산하려면, 먼저 마이크가 수용할 수 있는 압력을 파스칼 단위로 계산해야 합니다. 다음 수식을 사용하여 압력 양을 계산할 수 있습니다.

여기서, P = 파스칼 (Pa)이고 Voltage는 전치 증폭기 출력 피크 전압입니다.

마이크가 피크 전압에서 감지할 수 있는 최대 압력 수준을 결정한 후에 다음과 같은 로그 스케일을 사용하여 이 양을 데시벨(dB)로 변환할 수 있습니다.

여기서, P = 파스칼 단위의 압력
Po = 참조 파스칼 (상수 = 0.00002 Pa)

이 수식은 특정 전치 증폭기와 결합된 경우 마이크가 측정할 수 있는 최고 등급을 제공합니다. 하한 노이즈 레벨 또는 필요한 최소 압력 양을 판별하려면 마이크의 카트리지 열 노이즈(CTN) 등급을 살펴보아야 합니다. CTN 스펙은 마이크에 내재된 전기 노이즈를 초과하여 감지할 수 있는 측정 가능한 최저 사운드 압력 수준을 나타냅니다. 그림 6에는 전치 증폭기와 함께 사용할 경우의 마이크 노이즈 레벨이 다양한 주파수 별로 표시되어 있습니다.

그림 6. 내재된 노이즈 레벨은 마이크의 상한 및 하한 영역에서 최고를 나타냅니다.

 

마이크를 선택할 때에는 테스트하는 압력 수준이 마이크의 CTN과 마이크의 최고 등급 데시벨 레벨 사이에 속하는지 확인해야 합니다. 일반적으로 마이크의 직경이 작을수록 상한 데시벨 레벨이 높습니다. 직경이 큰 마이크는 CTN이 낮은 것이 일반적이므로 낮은 범위의 데시벨 측정에 사용하는 것이 좋습니다.

 

주파수 응답

필요한 마이크 영역 응답 및 동적 범위의 유형을 고려한 다음 마이크의 스펙 시트를 검토하여 사용 가능한 주파수 범위(Hz)를 찾으십시오. 보다 직경이 작은 마이크는 상한 주파수 레벨 기능이 높은 것이 일반적입니다. 이와 반대로, 직경이 큰 마이크는 더욱 민감하며 더 낮은 주파수를 감지하는 데 적합합니다.

제조업체는 주파수 스펙에 ±2 dB의 일반 허용 편차를 명시합니다. 마이크 비교 시 특정 주파수 범위와 관련된 주파수 범위 및 허용 편차를 확인하는 것이 좋습니다. 어플리케이션 분야가 중요하지 않은 경우, 허용 가능한 데시벨 허용 편차를 늘리기 위해 마이크의 사용 가능한 주파수 범위를 향상시킬 수 있습니다. 특정 데시벨 허용 편차에 대해 실제로 사용 가능한 주파수 범위를 판별하려면 제조업체에 문의하거나 해당 마이크의 교정 시트를 살펴보십시오.

 

전원 공급 유형

예전부터 사용되었던 외부 전원 공급형 마이크와 현대적 전원 내장형 마이크는 대부분의 어플리케이션 분야에 적합한 성능을 발휘하지만 몇 가지 차이점이 있습니다. 외부 전원 공급형 마이크는 고온(120 °C - 150 °C) 범위에서 민감도 수준이 보다 일관적이므로 온도가 높은 환경에 적합합니다. 전원 내장형 마이크는 습한 환경에서 보다 일관된 작동을 보입니다. 갑작스럽게 온도가 변하여 내부 구성요소가 응결되면 외부 전원 공급형 마이크의 연결이 끊어지거나 작동 오류를 일으킬 수 있습니다

외부 전원 공급형 마이크는 별도의 200 V 전원이 필요하므로 이 설정에서는 LEMO 커넥터에 7개의 도체만 연결해야 합니다. 최신 전원 내장형 마이크는 사용이 간편한 2–20 mA 정전류 공급으로 전원을 얻기 때문에 많은 인기를 끌고 있습니다. 이 경우, 판독 장비에 전류를 공급하고 신호를 전송하기 위해 BNC 또는 10-32개의 커넥터와 함께 표준 동축 케이블을 사용할 수 있습니다.

 

온도 범위

마이크의 감도는 온도가 마이크의 최대 스펙에 접근할수록 감소합니다. 마이크의 작동 온도뿐만 아니라 보관 온도도 정확히 인지하고 있어야 합니다. 극한 환경에서 마이크를 작동시키거나 보관하면 마이크에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으며 교정할 필요성이 늘어납니다. 전치 증폭기를 사용할 경우 작동 온도 범위가 좁아질 수 있습니다. 대부분의 마이크는 120 °C 미만에서 감도 저하 없이 작동하지만, 마이크에 필요한 전치 증폭기의 정상 작동 범위는 일반적으로 60 °C - 80 °C 정도입니다.

 

마이크의 신호 컨디셔닝

데이터 수집 장비로 정확한 측정을 수행하기 위해 마이크를 준비할 때에는 다음 사항을 고려하여 신호 컨디셔닝 요구사항을 모두 충족해야 합니다.

  • 측정 분해능을 증가시키고 신호 대 노이즈 비율을 개선하기 위한 증폭
  • IEPE 센서의 전치 증폭기에 전원을 공급하는 전류 구동
  • 입력 장비의 전체 범위를 활용하고 분해능을 증가시키기 위해 DC 오프셋을 제거하는 AC 커플링
  • 외부 고주파수 노이즈를 제거하기 위한 필터링
  • 다양한 접지 전위 간의 전류 흐름에서 노이즈를 제거하는 데 적합한 접지
  • 마이크의 전체 진폭 범위를 측정하기 위한 동적 범위

 

마이크 측정을 컨디셔닝하고 측정치를 수집, 분석 및 표시하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어용 가이드를 다운로드 하십시오.

 

 

참조 문헌

http://www.pcb.com/microphonehandbookfiles/microphone_handbook_lowres.pdf