마이크로 사운드 측정하기

이 문서는 음압의 기초 원리, 마이크의 작동 원리, 다양한 센서 스펙이 어플리케이션의 마이크 성능에 미치는 영향을 이해하는 데 도움을 줍니다. 센서를 결정한 후에는 마이크 측정을 적절하게 컨디셔닝, 수집 및 시각화하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어를 고려할 수 있습니다. 또한 필요한 추가 신호 컨디셔닝을 고려할 수도 있습니다.

음압이란

 

소리란 공기, 물, 또는 사람의 귀가 감지할 수 있는 다른 환경의 압력 변화입니다. 인간의 고막은 압력 진동 또는 소리를 우리의 두뇌가 음악, 말, 소음 등으로 해석하는 전기 신호로 전달합니다. 마이크는 동일한 작업을 수행하도록 설계되었습니다. 그런 다음 이러한 신호를 기록하고 분석하여 소리가 소스에서 마이크까지 이동한 경로의 특성에 대한 정보를 수집할 수 있습니다. 예를 들어, 노이즈, 진동 및 거칠기 테스트에서 엔지니어는 일반적으로 운전 중 자동차에서 승객이 경험하는 소음과 같은 바람직하지 않은 소리를 줄이는 데 관심이 있습니다. 이러한 사운드에는 사람의 귀가 감지할 수 있는 주파수보다 높거나 낮은 주파수 또는 특정 공명 주파수의 진폭을 갖는 사운드가 포함될 수 있습니다. 이러한 측정은 배출 표준을 충족하거나 장치의 성능 및 수명을 특성화하기 위해 노이즈를 줄여야 하는 설계자에게 중요합니다.

 

인간이 소리에 노출되고 음압을 감지할 수 있기 때문에 음압은 수행되는 가장 일반적인 측정입니다. 파스칼(Pa)로 측정되는 음압 레벨은 수신기가 소리를 인식하는 방법을 나타냅니다. 소스의 음력도 결정할 수 있습니다. 와트(W)로 측정되는 음력 레벨은 모든 방향으로 방사되는 총 음향 에너지를 나타냅니다. 이는 방, 수신기 또는 소스로부터의 거리를 포함한 환경과 무관합니다. 음력은 소스의 속성인 반면 음압은 환경, 반사면, 수신기 까지의 거리, 주변 소리 등에 따라 달라집니다.

마이크로 사운드 측정하기

 

 

마이크는 몇 가지 다른 종류가 있지만 가장 일반적인 계측 마이크는 외전극화 콘덴서 마이크, 내전극화 콘덴서 마이크 및 압전 마이크입니다.

 

그림 1. 마이크는 음파를 전기 신호로 변환하는 트랜스듀서입니다.

 

 

콘덴서 마이크

 

콘덴서 마이크는 정전식 설계로 작동합니다. 콘덴서 마이크는 커패시터의 한 쪽 평판을 형성하는 편평한 금속 가로막을 포함합니다. 가로막 가까이에 위치한 금속 디스크가 백플레이트의 역할을 합니다. 음장이 가로막을 자극하면 두 평판 사이의 전기용량(capacitance)이 음압 차이에 따라 달라집니다. 안정된 DC 전압이 높은 저항을 통해 플레이트에 적용되어 플레이트의 전하를 유지합니다. 커패시턴스가 변화하면 음압에 비례하여 AC 출력이 생성됩니다. 이 커패시터의 전하는 외전극 전압 또는 내전극화 마이크의 경우와 같이 또는 재질 자체의 속성에 의해 생성됩니다. 외전극화 마이크는 외부 전원 공급 장치로부터 200V를 필요로 합니다. 내전극화 마이크는 정전류 소스를 필요로 하는 IEPE 전치 증폭기로 전원을 공급합니다.

 

보호 그리드, 진동판, 백플레인, 케이스 및 절연체를 보여주는 콘덴서 마이크 다이어그램.

그림 2. 가장 일반적인 계측용 마이크인 콘덴서 마이크는 정전식 설계로 작동합니다.

 

 

 

압전 마이크

 

압전 마이크는 결정 구조를 사용하여 백플레이트 전압을 생성합니다. 많은 압전 마이크는 가속도계와 동일한 신호 컨디셔닝을 사용하며 IEPE 신호 컨디셔닝을 사용하여 분극 전압을 제공할 수 있습니다. 이러한 센서형 마이크는 민감도 수준이 낮지만 내구성이 뛰어나고 진폭이 큰 압력 범위를 측정할 수 있습니다. 반대로, 이 유형의 마이크에서는 바닥 노이즈 수준이 일반적으로 높습니다. 이 설계는 충격 및 폭발 압력 측정에 적합합니다.

 

그림 2: 가속도계는 고주파 또는 저주파 진동과 충격 측정에 사용되는 다용도 센서입니다.
Figure 1. A microphone is a transducer that converts acoustical waves into electrical signals.
그림 3: IEPE 가속도계는 압전 수정에 가해지는 진동의 힘에 비례하는 전압 신호를 출력합니다.
Figure 2. The most common instrumentation microphone, a condenser microphone, operates on a capacitive design.

적합한 마이크 선택하기

 

최적의 마이크를 선택할 때는 응답 필드의 유형, 동적 응답, 주파수 응답, 편광 유형, 필요한 감도, 온도 범위를 고려하십시오. 또한 특정 분야를 위한 다양한 특수 마이크도 있습니다. 마이크를 선택하고 지정하려면 살펴봐야 할 첫 번째 기준은 응용 분야와 사운드 및 환경이 특성입니다.

 

마이크의 구성요소와 설계에 대한 자세한 내용은 마이크 핸드북을 참조하십시오.

 

 

마이크 응답 필드 고려

 

마이크를 작동할 필드 유형에 가장 적합한 마이크를 선택해야 합니다. 측정 마이크의 세 가지 유형은 자유장, 압력장 및 임의 입사입니다. 이러한 마이크는 낮은 주파수에서는 유사하지만 높은 주파수에서는 다르게 작동합니다.

 

가장 일반적인 마이크는자유장 마이크입니다. 이는 단일 소스의 음압을 마이크 진동판에서 직접 측정합니다. 마이크가 음장에 들어가기 전에 존재했던 그대로의 음압을 측정합니다. 이 마이크는 단단하거나 반사되는 표면이 없는 열린 공간에서 가장 잘 작동합니다. 무반향실 또는 더 크고 개방된 곳이 자유장 마이크에 이상적입니다.

 

 

자유장 마이크의 다이어그램.

 

그림 3. 자유장 마이크

 

 

 

압력장 마이크는 진동판 앞의 음압을 측정하도록 설계되었습니다. 이 마이크는 필드의 모든 위치에서 동일한 크기와 위상을 갖습니다. 일반적으로 파장과 비교할 때 작은 곳 또는 공동에서 사용됩니다. 압력장 마이크 어플리케이션의 예에는 벽, 비행기 날개 또는 튜브, 케이스 또는 공동과 같은 내부 구조에 가해지는 압력 테스트가 포함됩니다.

 

 

그림 4. 압력장 마이크

 

 

 

많은 상황에서 소리는 단일 소스에서 오지 않습니다. 임의 입사 또는 확산장 마이크는 모든 각도에서 동시에 도달하는 소리에 균일하게 응답합니다. 이 유형의 마이크는 교회 같이 딱딱하고 반사되는 벽이 있는 곳에서 소리를 측정할 때 사용합니다. 그러나 대부분의 마이크에서 압력 및 임의 입사 응답은 유사하므로 압력장 마이크가 종종 임의 입사 측정에 사용됩니다.

 

 

임의 입사 마이크의 다이어그램.

그림 5.임의 입사 마이크

 

 

 

 

올바른 동적 범위 선택

 

소리를 설명하는 주요 기준은 음압 변동의 진폭을 기반으로 합니다. 건강한 사람의 귀가 감지할 수 있는 가장 낮은 진폭은 2천만분의 1파스칼(20μPa)입니다. 파스칼로 표시되는 압력 수치는 일반적으로 너무 낮아 쉽게 쓸 수 없기 때문에 더 일반적으로 사용되는 또 다른 척도인 데시벨(dB) 척도가 개발되었습니다. 이 로그 척도는 압력 변동에 대한 인간 귀의 반응과 더 밀접하게 일치합니다. 다음은 참조로 사용할 수 있는 일반적인 음압 레벨의 몇 가지 예입니다.

 


 

제조업체는 마이크의 설계 및 물리적 특성에 따라 최대 데시벨 수준을 지정합니다. 지정된 최대 dB 레벨은 진동판이 백플레이트에 접근하거나 THD(총 고조파 왜곡)가 지정된 양(일반적으로 THD의 3%)에 도달하는 지점을 나타냅니다. 특정 어플리케이션에서 마이크가 출력하는 최대 데시벨 레벨은 공급되는 전압과 해당 마이크의 민감도에 따라 다릅니다. 특정 전치 증폭기와 해당 피크 전압을 사용하여 마이크의 최대 출력을 계산하려면 먼저 마이크가 수용할 수 있는 압력을 파스칼 단위로 계산해야 합니다. 다음 공식을 사용하면 압력을 계산할 수 있습니다.

 

 

 

 

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

 

마이크가 피크 전압에서 감지할 수 있는 최대 압력 수준을 결정하면 다음 로그 척도를 사용하여 이 값을 데시벨(dB)로 변환할 수 있습니다.

 

 

 

 

여기서 P = 압력, 단위는 파스칼

Po = 기준 파스칼(상수 = 0.00002Pa)

 

이 공식은 특정 전치 증폭기와 결합된 마이크가 측정할 수 있는 최대 등급을 제공합니다. 낮은 수준의 노이즈 또는 필요한 최소 압력의 경우 마이크의 CTN(카트리지 열 노이즈) 등급을 검토해야 합니다. CTN 스펙은 마이크에 내재된 전기적 노이즈 이상에서 감지할 수 있는 가장 낮은 측정 가능한 음압 레벨을 제공합니다. 그림 6은 전치 증폭기와 함께 사용할 때 다양한 주파수에서의 일반적인 마이크 노이즈 수준을 보여줍니다.

 

전치 증폭기와 함께 사용되는 마이크의 다양한 주파수에서의 노이즈 레벨 그래프

그림 6. 고유한 노이즈 수준은 마이크의 상위 및 하위 범위에서 가장 큽니다.

 

마이크를 선택할 때는 테스트 중인 압력 수준이 마이크의 CTN과 마이크의 최대 정격 데시벨 수준 사이인지 확인해야 합니다. 일반적으로 마이크 직경이 작을수록 최고 데시벨 수준이 커집니다. 직경이 큰 마이크는 일반적으로 CTN이 낮으므로 낮은 범위의 데시벨 측정에 권장됩니다.

 

 

주파수 응답 평가를 위한 스펙 검토

 

필요한 마이크 필드 응답 유형과 동적 범위를 고려한 후에는 마이크 스펙 시트를 검토하여 사용 가능한 주파수 범위(Hz)를 찾으십시오. 직경이 작은 마이크는 일반적으로 더 높은 주파수에서 좋은 기능을 갖습니다. 반대로 더 큰 직경의 마이크는 더 민감하고 더 낮은 주파수를 감지하는 데 더 적합합니다.

 

제조업체는 주파수 스펙에 ±2dB의 일반적인 허용 오차를 설정합니다. 마이크를 비교할 때는 주파수 범위와 해당 주파수 범위와 관련된 허용 오차를 확인하십시오. 어플리케이션이 필수적이지 않은 경우 허용되는 데시벨 오차를 높이면 해당 마이크의 사용 가능한 주파수 범위를 향상시킬 수 있습니다. 제조업체에 확인하거나 특정 마이크에 대한 교정 시트를 보고 특정 데시벨 허용 오차에 대한 실제 사용 가능한 주파수 범위를 확인할 수 있습니다.

 

 

전극 유형 결정

 

기존의 외전극 마이크와 최신의 내전극 마이크는 대부분의 분야에서 모두 잘 작동하지만 몇 가지 차이점이 있습니다. 외전극 마이크는 고온(120°C ~ 150°C)에서 감도 수준이 더 일정하기 때문에 해당 온도 범위에서 권장됩니다. 내전극 마이크는 습한 조건에서 더 일관성이 있는 경향이 있습니다. 내부 부품에 응결을 일으키는 급격한 온도 변화는 외전극 마이크를 단락시킬 수 있습니다.

 

외전극 마이크에는 별도의 200V 전원이 필요하기 때문에 이 설정에서는 LEMO 커넥터 포함 7도체 케이블 구성으로 제한됩니다. 새로운 내전극 마이크는 사용하기 쉬운 2-20mA 정전류 공급 장치로 구동되기 때문에 더 대중적입니다. 이 설계 덕분에 전류 공급 및 판독 장치에 대한 신호 공급 모두에 대해 BNC 또는 10-32 커넥터와 표준 동축 케이블을 사용할 수 있습니다.

 

 

온도 범위 알기

 

온도가 마이크의 최대 스펙에 가까워지면 마이크 민감도가 감소합니다. 마이크의 작동 온도뿐만 아니라 보관 온도도 알고 있어야 합니다. 극한의 조건에서 마이크를 작동 또는 보관하면 마이크에 부정적인 영향을 미치고 교정 필요성이 증가할 수 있습니다. 많은 경우에 필요한 전치 증폭기는 작동 온도 범위를 제한하는 요소가 될 수 있습니다. 대부분의 마이크는 감도 손실 없이 120°C에서까지 작동할 수 있지만 이러한 마이크에 필요한 전치 증폭기는 일반적으로 60°C ~ 80°C 범위에서 작동합니다.

 

 

특정 분야 전용 특수 마이크 사용

 

온도가 문제가 될 때는 프로브 마이크가 대안이 될 수 있습니다. 프로브 마이크는 열악한 환경에서의 음압 측정을 위해 설계되었습니다. 이는 마이크와 프로브 연장 튜브를 결합한 형태입니다. 이를 통해 사용자는 사운드 소스에 매우 가까이 갈 수 있습니다. 프로브 팁은 음향 신호를 프로브 하우징 내부의 마이크에 보냅니다. 이 유형의 마이크는 일부 중요한 부품을 별도의 하우징 내에 배치하여 온도가 매우 높은 환경이나 일반적인 콘덴서 마이크를 사용하기에는 음원에 접근할 수 없을 만큼 협소한 곳에서 사용할 수 있습니다.

 

마이크가 완전히 수중에서 작동해야 하는 분야도 고유한 과제를 안고 있습니다. 수중 청음기는 수중 음압 신호를 감지하도록 설계되었습니다. 이 내부식성 제품을 통해 산업 및 과학 분야의 수중 테스트, 모니터링 및 측정이 수행됩니다. 다양한 감도, 주파수 데시벨 레벨 및 작동 깊이를 갖는 다양한 모델이 있습니다.

 

사운드 레벨 미터는 음압 레벨 판독값을 얻을 수 있는 빠르고 편리한 방법을 제공하기 위해 설계되었습니다. 이 설계에는 음압 판독에 필요한 모든 구성요소가 포함되어 있습니다. 이 소형 핸드헬드 유닛은 마이크, 전치 증폭기, 전원, 소프트웨어 및 디스플레이를 포함합니다. 이는 산업 환경, 지역사회 소음 평가, 소음 노출 측정, 포병 사격 측정 및 기타 여러 분야에서 dB 측정을 수행하는 데 탁월한 선택입니다. 사운드 레벨 미터는 A 가중, 리얼타임 분석기, 소프트웨어 옵션을 포함한 다양한 옵션과 함께 제공될 수 있습니다.

 

소리의 크기와 방향과 관련된 측정값을 얻어야 하는 경우 강도 프로브가 탁월한 선택입니다. 위상이 일치하는 두 개의 마이크를 사이에 두고 스페이서를 배치하면, 사용자는 음압 레벨뿐만 아니라 전파되는 음파의 속도와 방향도 알 수 있습니다. 다양한 크기의 스페이서를 사용하면 여러 주파수에서 입자 속도를 측정할 수 있습니다. 더 높은 주파수에는 일반적으로 더 작은 스페이서가 필요합니다. 더 큰 스페이서는 더 낮은 주파수와 잔향이 있는 상황에 적합합니다.

 

3차원 필드 값을 조사해야 하는 NAH(Near Field Acoustic Holography) 어플리케이션의 경우,배열 마이크 구성이 권장됩니다. 여러 개의 배열 마이크를 미리 정해진 패턴으로 간격을 두고 배치한 후 적절한 소프트웨어와 결합하면 복잡한 음압 필드의 공간적 변화가 투영되어 음향 에너지 흐름을 효과적으로 맵핑할 수 있습니다. 배열 마이크는 채널 수가 많은 음향 테스트에 탁월한 선택입니다. TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)는 사용자가 특정 마이크를 빠르고 쉽게 식별할 수 있도록 해주기 때문에 배열에 권장되는 옵션입니다. 이러한 TEDS 칩과 소프트웨어를 사용하면 사용자가 마이크 모델, 일련 번호, 교정 날짜에 대한 정보와 마이크 감도, 커패시턴스, 임피던스 등의 스펙을 저장할 수 있으며, 이를 다운로드하여 정확한 테스트 결과를 얻을 수 있습니다.

 

실외 마이크는 이러한 마이크가 받는 혹독한 환경 노출을 견딜 수 있도록 개발되었습니다. 공항 소음 또는 고속도로 교통 소음은 사람들에게 안전한 환경을 제공하기 위해 테스트 및 측정을 위한 인기 장소가 되었습니다. 환경 마이크와 실외 마이크는 고정밀 스펙을 유지하면서 내부 구성요소에 대해 서로 다른 수준의 보호 기능을 제공합니다.

 

Figure 3. Free-Field Microphone

레벨 참조

0 dB = 0.00002 Pa 청력의 역치
60 dB = 0.02 Pa 사무실
80 dB = .2 Pa 상점 소음
94 dB = 1 Pa 대형 트럭
100 dB = 2 Pa 착암기
120 dB = 20 Pa 비행기 이륙
140 dB = 200 Pa 고통 역치

 

마이크용 신호 컨디셔닝

 

DAQ 디바이스가 마이크를 적절하게 측정하도록 준비할 때, 모든 신호 컨디셔닝 요구사항을 충족하도록 다음 사항을 고려해야 합니다.

 

  • 측정 분해능을 높이고 신호 대 잡음비를 개선하기 위한 증폭
  • IEPE 센서의 전치 증폭기에 전력을 공급하기 위한 구동 전류
  • DC 오프셋을 제거하고 분해능을 높이며 입력 장치의 전체 범위를 활용하기 위한 AC 커플링
  • 외부 고주파 노이즈 제거를 위한 필터링
  • 서로 다른 접지 전위 사이의 전류 흐름으로 인한 노이즈를 제거하기 위한 적절한 접지
  • 마이크의 전체 진폭 범위를 측정하기 위한 동적 범위

 

마이크 측정에 필요한 측정 하드웨어 및 소프트웨어 처리에 더 익숙해지려면 정확한 센서 측정을 위한 엔지니어 가이드를 다운로드하십시오.

마이크를 NI 하드웨어에 연결하기

 

센서 또는 테스트 요구 사항을 파악한 후에는 해당 데이터를 수집할 하드웨어를 결정하는 것이 중요한 다음 단계입니다. 수집 하드웨어 품질은 수집되는 데이터의 품질을 결정합니다. 

 

NI는 사운드 데이터 수집을 위해 설계되고 다양한 IEPE 센서와 호환되는 여러 사운드 및 진동 하드웨어를 제공합니다.  

 

NI 사운드 및 진동 디바이스와 IEPE 센서, 마이크 등의 호환성을 확인하려면, IEPE 센서의 구동 및 규정 준수 전압 가이드를 살펴보십시오. 전치 증폭기를 사용하는 경우에도, NI 사운드 및 진동 하드웨어는 계속 작동하지만 신호 특성이 변경될 수 있습니다. 전치 증폭기의 출력이 사운드 및 진동 하드웨어 입력 범위 내에 있는지 확인하십시오. 마찬가지로, 비 IEPE 센서의 경우, 센서 출력이 디바이스 입력 범위를 준수하는지 확인하십시오.

센서를 찾고 계십니까?

 

NI는 몇 가지 G.R.A.S. 마이크를 제공합니다. 마이크 및 전치 증폭기용 G.R.A.S. 선택 가이드로 자세히 알아보십시오.

간단한 하드웨어 설정

마이크와 권장 NI 하드웨어의 결합

CompactDAQ Sound and Vibration Bundle은 사운드 및 진동 모듈과 CompactDAQ 섀시의 번들로 마이크 또는 음압 센서 연결 작업을 단순화합니다.

기타 사운드 측정용 제품 

 

다음 제품은 마이크와 연결되어 음향 신호를 수집합니다. 오디오 테스트, 머신 상태 모니터링 및 노이즈, 진동, 강도​(NVH) 어플리케이션에 이 제품을 사용할 수 있습니다. 이 제품은 사운드 및 진동 측정 모두에 사용할 수 있습니다. 가속도계로 진동 측정하기를 통해 NI 제품과 함께 사용할 수 있는 제품에 대해 자세히 알아보십시오.

참조 문헌