電路系統中麥克風靈敏度標定方法

2021-10-14 10:09:07 字數 2959 閱讀 9126

因為電路系統在設計之後,每個電路板因為器件的差異,都會在訊號上疊加不一至的偏差。因此為了提高對源訊號測量的精準度,當所有器件都確定之後,就需要把所有硬體系統進行標定,把電路環路疊加的就誤差消除掉,這些誤差包含:

>硬體電路/codec輸入端引入的增益;

>機械件如speaker或mic引入的增益;

>dsp本身產生的增益

>硬體電路/codec輸出端引入的增益;

首先,db是乙個無量綱單位,是乙個相對值,因此就有乙個參考係。

麥克風靈敏度,通常都是以負數形式呈現,比如-45db、-47db。麥克風靈敏度為何是負數呢,下面有講。

麥克風靈敏度歷史上的記法是有一些區別的,。在十九世紀三十年代,音訊裝置的輸入電阻都是600 ω,所以都是以600 ω計算基準的,而後來因為mic風的阻抗可以做到1000 ω,所以當下時代更多使用dbv來表示靈敏度。

> 0dbm = 1mw/pa,即把1pa輸入聲壓下給600ω負載帶來的1mw功率輸出定義為0db,因此可以知道0db時對

應於0.775v/pa(依據公式p=u^2)/r計算);

> 0dbµ = 0.775v/pa,即將1pa輸入聲壓下麥克風0.775v電壓輸出定義為0db(這樣就把麥克風聲壓-電壓轉換後的電平度量,統一到電路中普遍採用

的0dbµ =0.775v這一參考單位),其實和dbm使用的是同乙個參考基準。注: 1pa = 10µbar;

> 0dbv = 1v/pa, 和dbµ一樣,使用電壓作為被測量,但選擇1v作為基準參考值,即在1pa聲壓下,電壓輸出為1v定義為0db。通常麥克風去掉直流分量後

是輸出不到1v的,所以這也是為什麼靈敏度的對數形式都是負值的原因。比如-30db,用公式轉換後對應的值為 0.031623v/pa,或者31.623mv/pa。

1.給定一標準聲源(通常為250khz 94dbspl),計算出該dbspl對應的實際聲壓(單位為pascal),下面公式(2)即為標準聲源產生的實際生壓強。

p是聲壓測量值,也即實際聲壓;pref是標準參考聲壓(該強度的聲壓被設定為0dbspl),其值為2×10−5pa,是人耳在1khz這個頻率下能聽到的最小的聲音,大致相當於3公尺外乙隻蚊子在飛的聲音(因為dbspl也是乙個相對量,是相對於參考聲壓pref計算而得)。

2. 麥克風採集到數碼訊號後依次經過如下濾波器:

直流濾波器 

->iir高通濾波器(中心頻率=100hz)

–> 指數滑動平均濾波器

;指數滑動平均濾波器的傳遞函式如式(3)

k用來表徵平滑程度,通常取0.999;其中

我們知道vrms的標準計算公式如式(4):

具體在軟體實現時,因為每次只處理乙個輸入點,所以等效為n=1,因此上面公式就變成了

兩邊平方後變成如下公式:

注意,式(5)中的 xi 不同於式(3)中的 xi ;   我們把

採集時,需要設定乙個滑動視窗,其中存放著滑動濾波後的有效電壓值,需要檢測視窗中的每個資料的均方差是否超過閥值(通常為0.01),如果超過則認為訊號源尚不穩定,沒超過則可以認定已經得到了穩定且準確的vrms值。

採用式(3)對iir濾波後的資料進行計算,得到的結果即為訊號的vrms值,單位為voltage;

下圖為對一組疊加的正弦訊號經過直流濾波器,iir高通濾波器及指數滑動平均濾波器後的效果,

圖例中:

rawinput  為虛擬出的原始聲音頻號,此處為兩個不同頻率的正弦波的疊加;

dc            為對rawinput過過直流濾波器後的曲線;

mea_sqrt  為對iir的結果採用上面(3)式進行濾波後的效果;

過程中無需把adc取樣的結果轉按位數比較來轉換成電壓進行計算, 也不需要減去直流偏置;

下圖為單一正弦波匯出後(因為疊加訊號的雜訊比較大),用rmes標準公式計算iir數值與用式(3)計算iir資料所得資料的均值對比結果,

3.計算麥克風在電路中的靈敏度

單位為: v/pal,表徵的含義為每個大氣壓產生多大的有效電壓訊號。式中vrms為上面公式(4)計算的值,pin 為上面公式(2)計算的值。

然後把式(5)的結果轉換成對數形式,單位為db,公式如下:

式(6)中的p為參考輸出,目前標準採用的是1v/pa,或者1000mv/pa;注意:式(

6)中分子與分線的單位需要一致,即要麼都是

v/pa

,要麼都是

mv/pa;

(5)和(6) 式的結果即為mic的靈敏度,單位分別為v/pa和db,其表徵的含義是一樣的。

總結:

分貝不同於其他的物理單位,表示的是相同物理量的比值,其具體的值依賴於選擇的被測量。

dbspl,使用聲壓作為被測量,選擇20upa(20e-6)作為基準值(通常所說的

db)。

dbm,使用功率作為被測量,選擇1mw作為基準值。

dbu,使用電壓作為被測量,選擇0.775v作為基準值。

dbv,和dbu一樣,使用電壓作為被測量,選擇1v作為基準值。

dbfs,和上面的量都不相同,上面的量都是測量模擬值的,dbfs是測量數字音訊的,其選擇的基準值為sample的最大值為0dbfs,其他的值都為負值。

dbfs和模擬量之間的轉換,例如dbu,需要規定乙個基礎的對應關係。

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