Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn dựa trên cảm biến âm microphone electret (design and make a sound level meter by using a transducer electret microphone)

Bên cạnh đó máy cũng có những ưu điểm đáng kể như mạch sử dụng vi xử lý gọn, tốc độ xử lý cao vi xử lý có tốc độ lên đến 16MHz nên có khả năng đo được độ ồn ở tần số cao hơn 10 kHz và tù

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN TRỌNG LIÊM

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO ĐỘ ỒN TRÊN CƠ SỞ

CẢM BIẾN ÂM – MICROPHONE ELECTRET

(Design and make a sound level meter by using a transducer-

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa -

ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Lý Anh Tú, Tiến Sỹ

Lê Cao Đăng, Thạc Sỹ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày tháng năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Trọng Liêm MSHV: 11124635 Ngày, tháng, năm sinh: 31-10-1983 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số :

microphone electret

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan lý thuyết về âm học và độ ồn

- Tổng quan lý thuyết về cảm biến âm

- Thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn

- Kết quả và đánh giá

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04-08-2014

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

TS LÝ ANH TÚ, Th.S LÊ CAO ĐĂNG

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giảng dạy sau đại học - Trường đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

Tôi xin đặc biệt cảm ơn thầy Lý Anh Tú, thầy Lê Cao Đăng, và các giảng viên

bộ môn Vật lý kỹ thuật y sinh đã tận tình hướng dẫn truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu giúp tôi có đầy đủ kiến thức và nghị lực để hoàn thành luận văn này Đồng thời những kiến thức và kinh nghiệm đó sẽ hữu ích cho tôi sau này trong cuộc sống

Và xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã tin yêu và cho tôi sức mạnh tinh thần, vật chất trong quá trình học tập nghiên cứu Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện luận văn, song không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn

Tp.HCM, ngày 04 tháng 8 năm 2014

Học viên

Nguyễn Trọng Liêm

độ chính xác cao Thứ hai là ứng dụng microphone trong thiết kế và chế tạo máy

đo độ ồn Luận văn đã đạt được kết quả của yêu cầu đề ra là chế tạo máy đo độ ồn Tuy nhiên kết quả chưa đạt được như mong muốn, độ chính xác của máy đo chưa cao, sai lệch khoảng ±3 dB so với độ lệch ± 1 dB của các máy đo khác trên thị trường Đó chính là nhược điểm của máy đo Sự khiếm khuyết này là nhỏ và có thể khắc phục được bằng cách tối ưu mạch khuếch đại sau microphone Một nhược điểm nhỏ khác của máy đo là dùng linh kiện xuyên lỗ nên làm tăng kích thước của mạch điện Bên cạnh đó máy cũng có những ưu điểm đáng kể như mạch

sử dụng vi xử lý gọn, tốc độ xử lý cao (vi xử lý có tốc độ lên đến 16MHz) nên có khả năng đo được độ ồn ở tần số cao hơn 10 kHz (và tùy thuộc vào đáp ứng của microphone) Ưu điểm thứ 2 là mạch có khả năng kết nối máy tính và lưu dữ liệu theo thời gian thực Ưu điểm cuối cùng là giá thành chỉ bằng ¼ đến ½ giá các máy

đo phổ thông khác trên thị trường

ABSTRACT

The main contents of the thesis are to present acoustic fundamental, way to design and how to calculate and make a sound pressure level Via the speech, principle of sound sensor (electret microphone) also is presented

Thereby, target main of the thesis includes two parts, first is to study how a sound sensor, microphone electret works and its features This is very popular microphone due to ability to filter, high accuracy, light and compact Second task

is to implement the sensor to design and produce a sound pressure level

This thesis has achieved the required result set is to create a noise measurement However, the result hasn’t achieved as good as originally expected, the meter accuracy is not good enough, an offset of ±3 dB compared to ±1 dB of other sound meters on market This defect is minor and can be overcome by optimizing the microphone’s amplifier later on Another disadvantage of the device is using via-hole components that increase size of the circuit Besides, there are some significant advantages of the tool as circuit uses compact, high-speed processor (speed up to 16 MHz) and be capable of measuring noise at frequency higher than

10 kHz (and depend on response of microphone as well) Second advantage is capable of connecting to personal computer and log data in real time Last thing is its price much cheaper from one-fourth to one-half compared to common sound meter device

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của thầy TS Lý Anh Tú Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Học viên

Nguyễn Trọng Liêm

MỤC LỤC PHẦN 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: ÂM HỌC VÀ TIẾNG ỒN 11

I Tổng quan về âm học 11

1 Âm học 11

2 Âm thanh và tiếng ồn 11

3 Lược sử âm học 12

4 Những đặc tính của sóng âm 13

5 Nguồn âm vá sóng âm tương ứng 14

6 Các hiện tượng chính trong âm học 15

7 Các phương trình của sóng âm 17

II Khái niệm độ ồn 21

1 Năng lượng âm 21

2 Công suất âm 21

3 Cường độ âm 22

III Tiếng ồn và con người 23

1 Tai người 23

2 Tương quan giữa tai và âm thanh 25

3 Ảnh hưởng tiếng ồn đến tâm lý 25

4 Bênh về tai 26

5 Nguyên lý đo độ ồn 28

6 Các phương pháp đo độ ồn 29

7 Ưu và nhược điểm 29

8 Máy đo độ ồn ở Việt Nam 30

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN ÂM 31

I Microphone electret 31

II Cấu tạo và nguyên lý của microphone 32

1 Cấu tạo 32

2 Nguyên lý hoạt động 32

III Thông số quan trọng của microphone 34

1 Độ nhạy của microphone 34

2 Tần số đỉnh 35

3 Delta LF – roll off 35

4 Delta peak 36

5 Đáp ứng tần số 36

PHẦN 2: THIẾT KẾ MÁY ĐO ĐỘ ỒN CHƯƠNG 3: LINH KIỆN CHÍNH DÙNG CHO THIẾT KẾ 39

I Microphone electret 39

1 Kích thước của microphone 39

2 Đáp ứng tấn số của microphone 41

3 Đặc tính nhiễu của microphone 41

II Vi xử lý dùng cho máy đo độ ồn là ATMEGA 8 bit 42

1 Cấu trúc ATmega8159 43

2 Bộ nhớ chương trình 45

3 Ngắt trên AVR 46

4 Chuyển đổi ADC trên AVR 49

III Giao tiếp RS-232 51

1 Giao tiếp 51

2 Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232 51

3 Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232 52

4 Các mức điện áp đường truyền 52

5 Cổng RS232 trên PC 53

6 Quá trình dữ liệu 54

7 Sơ đồ ghép nối RS232 55

8 Phần mền giao tiếp 56

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 57

1 Sơ đồ khối máy đo 57

2 Sơ đồ nguyên lý máy đo 58

3 Nguyên lý đo độ ồn 58

4 Mạch mô phỏng bằng phần mềm proteus 8.0 60

6 Các thông số của máy đo 62

7 Hiệu chuẩn 63

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 64

1 Giải thuật giao diện 64

2 Giải thuật cho vi xử lý 66

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ ĐO VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 69

1 Kết quả đo đạc 69

2 Đánh giá kết quả đo 70

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 73

1 Kết quả đạt được 73

2 Hướng phát triển 73

Tài liệu tham khảo 75

Phụ lục 76

A Danh mục linh kiện 73

B Sơ đồ mạch in 77

C Code nạp cho vi xử lý 79

D Code của giao diện và kết nối máy tính 94

E Mạch thực tế và cách dùng 111

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 113

PHẦN 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: ÂM HỌC VÀ TIẾNG ỒN

Âm học là một ngành khoa học về âm thanh và là một ngành của vật lý học

Âm học bao gồm các lĩnh vực như nguồn phát âm, sự truyền âm, phát hiện và đo

âm Âm học là lĩnh vực rất quan trọng vì nó liên quan trực tiếp đến thính giác của con người Mục tiêu của luận văn nghiên cứu hai phần: Thứ nhất là nghiên cứu đầu vào của lĩnh vực đo âm, đó là cảm biến âm hay microphone electret và đặc tính microphone này Đây là microphone rất phổ biến ngày nay nhờ khả năng lọc

tố và có độ chính xác cao Thứ hai là ứng dụng microphone trong thiết kế và chế tạo máy đo độ ồn

I Tổng quan về âm học

1 Âm học (acoustics): Âm học là một nhánh của vật lý học, nghiên cứu về sự

lan truyền của sóng âm thanh trong các loại môi trường và sự tác động qua lại của nó với vật chất cụ thể nó nghiên cứu về cường độ âm, nguồn sinh âm, sự lan truyền và tác động của âm thanh

2 Âm thanh và tiếng ồn:

a Âm thanh là khái niệm liên quan đến các hiện tượng ảnh hưởng đến thính giác và

các hiện tượng liên hệ đến dao động và sóng cơ học Âm thanh là các dao động cơ học (biến đổi vị trí qua lại) của các phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng Âm thanh, giống như nhiều sóng, được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc

độ âm thanh)

Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động, trong dải tần số

từ khoảng 20 Hz đến khoảng 20 kHz, của các phân tử không khí, và lan truyền trong không khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích bộ não Tuy nhiên âm thanh có thể được định nghĩa rộng hơn, tuỳ vào ứng dụng, bao gồm các tần số cao hơn hay thấp hơn tần số mà tai người có thể nghe thấy, và không chỉ lan truyền trong không khí, mà trong bất cứ vật liệu nào Trong định nghĩa

rộng này, âm thanh là sóng cơ học và theo lưỡng tính sóng hạt của vật chất, sóng này cũng có thể coi là dòng lan truyền của các hạt phonon, các hạt lượng tử của

âm thanh

b Tiếng ồn: là khái niệm thuộc về âm thanh nhưng âm thanh đó trở nên khó nghe

hoặc không ai muốn nghe Cả tiếng ồn và âm nhạc đều là các âm thanh Trong việc truyền tín hiệu bằng âm thanh, tiếng ồn là các dao động ngẫu nhiên không mang tín hiệu

c Ngày nay tiếng ồn và âm thanh có mặt khắp mọi nơi, đối với người này nó là âm thanh nhưng đối với người khác nó là tiếng ồn Ví dụ một cuộc tranh luận là âm thanh nhưng đối với những người xung quanh đó là tiếng ồn

3 Lƣợc sử âm học

- Con người bắt đầu tìm hiểu các hiện tượng liên quan đến âm thanh vào đầu thế kỷ

6, khi đó trường phái Pythagore cũng đang tìm hiểu về dây rung và nguyên lý tạo thang âm Sau đó triết gia Hy Lạp Aristote (384-322 trước công nguyên) và kiến trúc sư người La Mã Vitruve (thế kỷ 1 trước công nguyên) cũng đưa ra các phát biểu về liên quan đến bản chất của âm thanh

- Từ những kinh nghiệm tích lũy được của các thế kỷ trước và việc nghiên cứu về tần số rung của dây đàn, nhà bác học Pháp Mersenne (1588-1648) và nhà bác học

Ý Galieo Galilei (1564-1642) đã đưa ra lý thuyết rõ ràng hơn về sóng âm và tần số của sóng vào đầu thế kỷ 17 Và nhà bác học người Hà Lan Huygens (1692-1695)

đã hoàn thiện kết quả này bằng việc giải thích các hiện tượng liên quan đến âm thanh và ánh sáng vào năm 1960 và khởi đầu nền khoa học về âm thanh

- Trong thế kỷ 18, các nhà khoa học đã phát triển lý thuyết truyền âm và xây dựng thuật toán cụ thể cho lý thuyết này Người bắt đầu lý thuyết này là nhà bác học vĩ đại người Anh Newton (1642-1727), sau đó đến nhà toán học người Thụy Sĩ Euler (1707-1783) và hai nhà toán học nổi tiếng người Pháp de Lagrange (1736-1813)

và d’Alembert (1717-1783)

- Tiếp đến thế kỷ 19 là sự ứng dụng lý thuyết cơ bản và ứng dụng vào kỹ thuật thực nghiệm Trong đó 3 công trình phổ biến nhất là: phép phân tích âm thanh là công

trình của nhà vật lý Đức Helmholtz (1821-1894), nhà vật lý Pháp Savart 1841) và nhà toán học Pháp rất nổi tiếng, Fourier (1768-1830), công trình nối tiếp

(1791-là về đo vận tốc truyền âm của nhà hóa học Pháp Regnault (1810-1878), và cách hình dung những rung động của âm ba là công trình nghiên cứu của nhà vật lý người Pháp gốc Đức K.R.Koenig

- Một công trình xuất chúng của nhà bác học Anh J.W.Strutt (Rayleigh) 1919) trong thế kỷ 20 là “Lý thuyết về âm thanh” Từ đó âm thanh được chia nhỏ thành nhiều nhánh (âm học dưới biển, kiến trúc, phi tuyến….)

Sóng âm hình sin có dạng đơn giản

x(t) = Acosωt trong đó A là biên độ của sóng âm và ω là vận tốc dao động

KT = 273.20 + TCVận tốc âm thanh truyền trong các môi trường vật liệu khác nhau thì khác nhau nghĩa là bước sóng sẽ khác nhau trong các vật liệu khác nhau Và bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số, tần số thấp thì tỷ lệ nghịch với bước sóng dài Điều đó rất quan trọng trong việc giảm tiếng ồn ở tần số thấp

5 Nguồn âm vá sóng âm tương ứng

- Sóng phẳng: là sóng có đặc điểm mặt sóng phẳng và song song nhau Sóng này

tồn tại trong những ống tròn và tại những tần số nhất định Sóng phẳng có tính chất giữ được biên độ sóng bất biến giữa khoảng cách nơi phát và nơi thu

Một sóng phẳng có dạng tổng quát như sau:

P (x,t) = Aej (ωt – kx)Trong đó A là hằng số biên độ và kx là pha ban đầu

- Sóng hình cầu: là sóng có bề mặt hình cầu và đồng tâm Sóng này xuất hiện khi ta

xem nguồn âm có kích thước rất nhỏ so với nơi phát và nơi thu và nguồn âm được xem là nguồn điểm Biên độ áp suất âm thanh giảm đi R, là khoảng cách từ nguồn

âm đến nơi nhận Sóng hình cầu có phương trình dạng:

P (R,t) = ej (ωt – kx)

A là biên độ áp suất, R là khoảng cách từ điểm phát đến điểm thu, kx là pha ban đầu

- Sóng hình trụ: đặc trưng bởi bề mặt sóng hình trụ Loại sóng này xuất hiện khi

nguồn âm tạo ra sóng hình cầu dài như khi âm thanh phát ra khi tàu chạy trên đường ray xe lửa Biên độ sóng hình trụ giảm √ , r là khoảng cách giữa tâm nguồn phát và nguồn thu Phương trình sóng hình trụ có dạng:

P (r,t) =

√ ej (ωt – kx)

r là khoảng cách giữa nguồn và điểm nhận, A là hằng số biên độ và kx là pha ban đầu

6 Các hiện tượng chính trong âm học:

Tương tự như ánh sáng, sóng âm sẽ bị hấp thụ, truyền qua và nhiễu xạ khi gặp mặt phân cách giữa 2 môi trường Ngoài ra nó còn gây ra hiện tượng vang dội

- Tia vang (vọng): tia này xuất hiện khi phần lớn năng lượng tia đến sẽ phản xạ khi

gặp một bề mặt phân cách Tiếng vang có thể gây ra từ một tia hoặc một chùm tia Những vật liệu cứng không xốp đều có thể tạo tiếng vang khi âm đến

Hệ số vang được tính: αr =

Trong đó Wr là năng lượng âm vang, còn Wi là năng lượng âm tới

Hình 1: các loại tia thường gặp

- Tia hấp thụ: năng lượng âm thanh bị hấp thụ khi tia tới gặp bề mặt cản làm bằng

chất liệu dễ hấp thụ, như thủy tinh, xốp, vải,….Năng lượng âm thanh bị hấp thụ hay tiêu tán xảy ra trong quá trình ma sát

Hệ số hấp thụ âm thanh được tính theo tỉ lệ phần trăm như bên dưới:

Α = (1- ) x 100

Hệ số này tăng theo tần số âm thanh, nghĩa là khi tần số càng cao thì âm thanh bị hấp thụ càng nhiều

- Tia truyền qua: là khi âm thanh đi xuyên qua một bề mặt của vật liệu lúc đó âm

thanh sẽ mất năng lượng theo phương trình:

TL = 10 log , [dB]

Trong đó Wt là năng lượng âm thanh truyền qua và Wi là năng lượng âm thanh khi đến vật rắn

Hình 3: Tỷ lệ hấp thụ âm thanh Mức tổn thất năng lượng do truyền qua nói chung tăng theo tần số Các chất liệu

mà âm thanh có thể truyền qua có mật độ liên kết phân tử cao và không xốp như kim loại, gỗ, thủy tinh,…

- Tia nhiễu xạ: khi âm thanh gặp phải vật chắn có kích thước hữu hạn thì xảy ra

hiện tượng nhiễu xạ Cha đẻ của nhiễu xạ là nhà bác học Hà Lan Huygens Nguyên lý của nhiễu xạ có đề cập sóng âm thanh bị suy giảm năng lượng khi đi vòng qua một vật cản

Hình 4: Sự mất mát năng lượng theo tần số

Hình 5: Tia nhiễu xạ Hình vẽ cho thấy góc nhiễu xạ θd thay đổi theo góc tới θi Nếu góc nhiễu xạ θdcàng nhỏ thì âm thanh đến sẽ rất khó đi vòng ra sau vật cản Sự nhiễu xạ tăng theo tần số và do đó làm giảm cường độ âm thanh sau khi nhiễu xạ Do đó hiệu ứng nhiễu xạ được xác định bằng sự mất mát năng lượng do vật cản:

IL = LP0 – LP2, [dB]

LP0 là mức áp suất âm đo được ở điểm nhận không vật cản

LP2 là mức áp suất âm đo được ở điểm nhận có vật cản

Độ chênh lệch của chúng chính là năng lượng mất khi bị nhiễu xạ

7 Các phương trình của sóng âm

Phần này sẽ đưa ra những phương trình tổng quát của sóng âm trong vùng tự do Sau đó sẽ áp dụng vào để tìm phương trình của sóng phẳng và phương trình của sóng cầu Hai sóng này là nền tảng để giải thích và phân tích nhiều hiện tượng sóng âm phức tạp khác Các phương trình bên dưới sẽ được thiết lập dựa vào định luật đàn hồi và định luật Newton Sau đó vấn đề sẽ được tổng quát bằng 2 phương trình: bảo toàn khối lượng, phương trình Euler và phương trình trạng thái

- Phương trình sóng một chiều: âm thanh lan truyền bằng không khí và có tỉ trọng

ρ (kg/m3) Ta xem sự lan truyền của không khí như một mặt sóng phẳng Tại thời điểm t = t0 phần tử khí nằm yên Tại thời điểm t, lát khí dày ∂x di chuyển một khoảng s Vậy s là sự biến thiên về vị trí Thể tích của lát khí:

và khối lượng:

m = ρ∂V = ρA∂x (2) theo định luật Newton:

- = ρA

(9) Rồi dẫn đến:

Hay:

= - ρ

Đây là mối tương quan cơ bản giữa áp suất và vận tốc, nó chỉ ra rằng vận tốc hạt

tỷ lệ với gradient áp suất

Mặt khác từ định luật về sự đàn hồi của khí ta có: p = -K (13)

Trong đó K là module độ nén (ứng suất/biến dạng), do ∂V = A∂s và ∂V0 = A∂x nên :

p = - K

Và gradient của p là: = - K

Đây là mối liên hệ thứ hai giữa s và p

Từ hai phương trình tương quan giữa s và p (10) và (15) cho ta phương trình chuyển động:

Là phương trình đạo hàm riêng bậc 2

Áp suất lệ thuộc vào vị trí (x) và thời gian (t)

Có thể giải phương trình này bằng phương pháp tách biến số

Đây là sóng một chiều và có thể được tổng quát thành phương trình sóng ba chiều được trình bày trong phần kế tiếp

- Phương trình sóng ba chiều: cần nhắc lại các tham số áp suất p, tỷ trọng ρ và vận

tốc ⃗ của hạt đều là biến số Do đó ta phải tìm ra 3 phương trình trong đó có một phương trình vector Âm thanh là kết quả của sự nhiễu loạn không khí trong môi trường Ba phương trình đó là:

Phương trình bảo toàn khối lượng:

Phương trình trạng thái (đoạn nhiệt) K=γp

Kết hợp ba phương trình trên sẽ đưa đến phương trình sóng

- Phương tình Helmholtz: ở đây ⃗ và p là hàm một biến số không gian và một biến

số thời gian Cho rằng áp suất thuộc loại sóng điều hòa ta có:

p ⃗⃗ ,t) = ⃗⃗ ) (24)

⃗⃗ ,t) = ⃗⃗ ) (25)

Và

⃗ ⃗ ) (26) Với toán tử Laplace là:

⃗⃗ ) ] = ⃗⃗ ) (27) Thay thế (26) và (27) vào phương trình sóng (23), ta được:

{ ⃗ + ⃗ ) = 0 Đặt k2

=

với k được gọi là hằng số truyền sóng hay số sóng, phương trình Hemholtz có

Phương trình Hemholtz cho thấy sự lệ thuộc của áp suất đối với vị trí

II Khái niệm độ ồn

1 Để đặc trưng cho độ lớn hay mức cường độ âm thanh người ta đưa ra khái niệm độ

ồn Khi nghiên cứu về sự thu nhận âm qua tai người, Alexander Graham Bell đã khám phá ra rằng tai người phản ứng với âm lượng theo hàm loga Từ đó nhà ông

đề nghị một đơn vị tính mức năng lượng như sau:

Mức năng lƣợng Bel = log

Trong đó W0 là năng lượng tham chiếu và W là năng lượng được quan tâm

Trong thực tế ta thường gặp những tỉ lệ tương đối nhỏ hơn nên người ta dùng một đơn vị khác nhỏ hơn gọi là decibel (=1/10 bel), viết tắt là dB và được mô tả bằng công thức:

Mức năng lượng dB = 10 log [dB]

2 Mức công suất âm thanh:

Áp suất âm thanh p (gọi tắt là thanh áp): Âm thanh truyền lan đến đâu thì làm

thay đổi áp suất không khí ở đó Áp suất do âm thanh tạo thêm ra một điểm gọi là thanh áp ở điểm đó Đơn vị thanh áp là bar Một bar là thanh áp tác động lên một diện tích 1cm2 một lực là 1 đin, 1bar = 1 đin/cm2

Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua một diện tích S trong thời

gian một giây

Công suất âm thanh P có thể tính bằng công thức:

P = pSv

Trong đó p là thanh áp, v là tốc độ dao động của một phần tử không khí tại đó và

S là diện tích Công suất âm thanh tính theo watt (W)

Sau đây là công suất âm thanh của một số nguồn âm Số liệu này chỉ có tính chất tham khảo

Máy bay phản lực: 10.000W, búa máy: 1W, ô tô vận tải phóng nhanh: 0.12W, nói chuyện bình thường: 0.0003W

Để đánh giá được khả năng làm việc của một đối tượng (động cơ, quạt, dụng cụ điện) người ta dùng đơn vị công suất Tương tự cho công suất âm thanh, là thước

đo năng lượng âm trong một đơn vị thời gian

Mức công suất của âm thanh được tính bằng tỉ lệ năng suất âm thanh đối với năng suất tham khảo:

L W = 10 log

[dB]

Trong đó W là năng suất âm thanh được quan tâm, W0 là năng suất âm thanh tham chiếu, W0= 10-12 w

3 Mức cường độ âm thanh:

Cường độ âm thanh I là lượng năng lượng được sóng âm truyền đi trong một đơn

vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm Đơn vị cường độ âm là oát trên mét vuông (kí hiệu: W/m2

).Giá trị của cường độ này tùy thuộc vào hình dạng của sóng (sóng phẳng, hình cầu hoặc hình trụ)

Đối với tai con người, giá trị tuyệt đối của cường độ âm I không quan trọng bằng giá trị tỉ đối của I so với một giá trị I0 nào đó chọn làm chuẩn Người ta định

nghĩa mức cường độ âm L là lôga rít thập phân của tỷ số I/I0

Trong thực tế người ta thường dùng đơn vị đêxiben (kí hiệu: dB), bằng 1/10 ben

Số đo L bằng đêxiben lớn gấp 10 số đo bằng ben

Khi L= 1dB, thì I lớn gấp 1.26 lần I0 Đó là mức cường độ âm nhỏ nhất mà tai ta

có thể phân biệt được

Ba đại lượng áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cường độ âm thanh gắn liền với nhau: P = IS = pvS Cả ba đều biểu thị đồ thị lớn nhỏ của âm thanh Âm thanh

có nặng lượng càng lớn thì công suất, cường độ và áp suất của âm thanh càng lớn Cần lưu ý là thành áp tỷ lệ với căn bậc hai của công suất âm thanh, khi ta tăng công suất âm thanh lên 1 lần thì thanh áp chỉ tăng 2 lần, nếu tăng công suất âm thanh lên 9 lần thì thanh áp chỉ tăng 3 lần

IV Tiếng ồn và con người

Trong lao động tiếng ồn đã gây ra nhiều bệnh về tai, ảnh hưởng đến tâm lý của công nhân Do đó nhiều nước phát triển đã nghiên cứu khá kỹ về ảnh hưởng của tiếng ồn đến khả năng nghe của con người Trước hết ta tìm hiểu sơ lược về tai, mối tương quan giữa tai và âm thanh, cuối cùng là ảnh hưởng của tâm lý do tiếng ồn

1 Tai người: cấu trúc của tai được mô tả như hình bên dưới gồm ba thành phần

chính Tài ngoài, tai giữa và tai trong

Hình 6: Cấu tạo tai người

a Tai ngoài: là phần ngoài thấy được của tai Nó có nhiệm vụ thu thập âm thanh và

đưa âm thanh vào màng nhĩ Lỗ tai có nhiệm vụ là bộ cộng hưởng ở tần số 3kHz, tần số trung bình của vùng nghe được Màng nhĩ là màng mỏng sẽ rung lên theo

áp suất âm thanh đi vào Tần số cộng hưởng của màng nhĩ là 1.4 kHz Áp suất trên

bề mặt của màng nhĩ lớn hơn 10 lần áp suất khí

b Tai giữa: là khoang không khí, ngăn cách với bên ngoài là màng nhĩ và tai trong

bằng cửa sổ hình tròn và hình trái bầu dục Thành phần chính của tai giữa là ống Eustache và ba lóng xương nhỏ Ống Eustache có nhiệm vụ cân bằng áp suất hai bên màng nhĩ Màng nhĩ được nối vào xương búa, xương này nối với xương đe rồi

đến xương bàn đạp và xương bàn đạp nối với cửa sổ hình bầu dục Tai trong hoạt động như một máy chuyển đổi trở kháng, nó chuyển trở kháng thấp của không khí sang trở kháng cao của chất lỏng bạch huyết trong ốc tai Nếu không có trở kháng này sẽ tạo ra sự bất đối xứng và gây mất mát âm khoảng 30 dB vì cửa sổ hình bầu dục nhỏ hơn màng nhĩ từ 15 đến 30 lần

Tai giữa có nhiệm vụ truyền sóng từ tai ngoài vào tai trong và giúp nhiều cơ căng thích ứng với sự thay đổi của cường độ âm nhưng sự thay đổi của cơ căng không phải là tức thời Ví dụ có một nguồn âm cực mạnh phát ra trong một thời gian ngắn, các cơ căng không có thời gian để đáp ứng kịp nên tai phải chịu một áp lực rất lớn trong một khoảng thời gian Điều này rất nguy hiểm cho tai Hoặc tiếng ồn lớn vừa tắt, tai bị ù trong một thời gian vì các cơ căng cần thời gian để thích ứng

c Tai trong: bộ phận quan trọng nhất của tai trong là ốc tai sẽ thu nhận âm thanh

Ốc tai được chia làm ba vịn (scala) nối với nhau: vịn tiền đình, vịn ốc tai và vịn màn nhĩ Vịn tiền đình và vịn màng nhĩ được cách nhau bởi màng nền Hai vịn này thông nhau ở vịn ốc tai cho phép bạch huyết trong ốc tai được lưu thông dễ dàng Màng nền dài khoảng 3cm và rộng khoảng 0.02 cm, trên màng nền chứa những tế bào như lông mao kết nối với 24000 đầu dây thần kinh Khi cửa sổ bầu dục chuyển động làm cho màng nền chuyển động rồi truyền vào các tế bào rồi đi đến dây thần kinh Não cảm nhận chuyển động này như âm thanh

2 Tương quan giữa tai và âm thanh

Tai người hoạt động như một bộ phân tích tần số và cũng có khả năng lọc mức áp suất âm thanh

a Phân tích giải tần số: Để hiểu rõ tính chất của một âm thanh, ta cần xác định mức

âm ở mỗi tần số Những mức âm thường được tính theo quãng tám của tần số Người ta chia tần số nghe được thành mười quãng tám ở đó tần số trung tâm và bề rộng băng dải được tiêu chuẩn hóa Khoảng tần số nghe được từ 20 đến 20000 Hz

có dãi mười quãng tám gắn với các tần số 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000,

4000, 8000 và 16000 hz

Trong thực tế các thiết bị đo âm thường được gắn các bộ lọc có khả năng phân tích

âm thanh ở 1/3 quãng tám hoặc 1/10 quãng tám và được gọi là phân tích tần số ở dải hẹp

b Xử lý mức âm thanh: tiếng ồn phát ra từ những nguồn âm khác nhau được đo

như những hàm của tần số rồi được bình quân theo một đường cân bằng đặc biệt Các đường cân bằng đó và mức âm thanh kết hợp được chuẩn hóa để đánh giá ảnh hưởng của tiếng ồn lên thính giác người

Người ta đã chuẩn hóa ba đường cân bằng A, B và C Mạng cân bằng A được dùng cho âm thanh yếu dưới 55 dB, mạng cân bằng B dùng cho âm thanh trong khoảng 55 đến 85 dB và mạng C dành cho âm thanh mạnh trên 85 dB Hiện nay mạng A là mạng phổ biến nhất và được dùng để đo đạc ảnh hưởng của tiếng ồn đến thính giác con người vì sự tương quan khá tốt của mạng A và sự đáp ứng chủ quan của tiếng ồn

3 Ảnh hưởng tiếng ồn đến tâm lý

Như được đề cập tiếng ồn là sự quấy nhiễu hoặc quá tải của âm lượng đến tai người nghe

a Tiếng ồn nghe được: cùng một loại tiếng ồn mỗi người sẽ cảm thấy mức độ khó

chịu khác nhau do ảnh hưởng từ môi trường sống lúc nhỏ nên sẽ có trải nghiệm riêng khác nhau Tuy nhiên có những đặc điểm chung của tiếng ồn mà sẽ làm hầu hết mọi người khó chịu Đó là:

Tiếng ồn tập trung năng lượng trong một dải tần số hẹp sẽ làm người ta cảm thấy

ồn hơn là tiếng ồn trải ra trong dải tần rộng hơn

Tiếng ồn có thời gian tăng trưởng nhanh sẽ cho cảm giác ồn hơn tiếng ồn có thời gian tăng trưởng chậm

Tiếng ồn có tính gián đoạn ngẫu nhiên sẽ làm cho ta cảm thấy ồn hơn tiếng ồn ổn định hoặc đều

Và tiếng ồn ở tần số cao (hơn 1.5 kHz) sẽ ồn hơn tiếng ồn ở tần số thấp

b Âm nền khó nghe: ta thường gặp nhiều trường hợp âm nền quá lớn làm cho cuộc

đối thoại trở nên khó khăn Trong môi trường lao động, âm nền lớn dễ gây nguy

hiểm Ví dụ công nhân khó nghe hết những chỉ thị thay báo động nguy hiểm tại nhà máy

4 Bệnh về tai

Tiếng ồn là âm thanh có hại thường xuyên gặp trong môi trường làm việc công nghiệp Nếu tiếng ồn quá lớn kéo dài thường xuyên có thể gây bệnh điếc vĩnh viễn Đây chính là bệnh điếc do nghề nghiệp gây ra

a Mệt mỏi thính giác: khi chịu đựng tiếng ồn trong những tuần lễ đầu người ta

nhận thấy thính giác bị giảm sút, tiếp đến là thính giác phục hồi chậm khi tiếng ồn chấm dứt Nếu thính giác không có thời gian nghỉ ngơi và tiếp tục bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn sẽ làm mất độ thính của tai Nếu một người chịu tiếng ồn 110 dB trong vòng 15 phút, người đó cần nguyên ngày để phục hồi hoàn toàn lại thính giác Tổ chức y tế thế giới WHO đã tóm tắt hậu quả của thính giác khi bị ảnh hưởng của tiếng ồn như sau:

Xáo trộn sinh lý: các tế bào thính giác của tai trong và tế bào thần kinh hệ thính giác bị mệt, làm giảm lượng máu đi vào tế bào

Giảm khả năng nghe (tạm thời): độ nhạy, khả năng phán đoán và tính chọn lọc của tai bị giảm

Mất khả năng nghe: khi có âm nền, tai bị mất khả năng phát hiện, phán đoán, suy xét

Tàn tật: thính giác bị hư hại nặng, khi nói chuyện phải lên giọng to và yêu cầu người nói cũng phải nói to

b Yếu thính giác: ngoài tiếng ồn còn một tác nhân khác cũng làm cho thính giác bị

yếu chính là tuổi tác Các nghiên cứu cho thấy khi về già đàn ông bị điếc nhiều hơn đàn bà đặc biệt ở tần số cao Bên dưới là hình diễn tả sự mất mát khả năng nghe theo độ tuổi

Hình 7: Đồ thị biểu diễn sự suy giảm thính giác theo tuổi tác (Nam và nữ)

c Điếc: Tiếng ồn làm cho thính giác bị mệt mỏi Khi tiếng ồn kéo dài và lặp lại

nhiều lần làm cho thính giác giảm khả năng hồi phục và dần dần sẽ dẫn đến bệnh điếc vĩnh viễn không hồi phục được Tiếng ồn lớn kéo dài sẽ làm cho màng nền dao động mạnh dẫn đến tế bào lông mao bị phá hủy khi ma sát với bạch huyết Tai người có khoảng 17000 tế bào thính giác bị chết và không thể điều trị được

Hình 8: Chấn thương do tiếng ồn

5 Nguyên lý đo độ ồn

- Đo độ ồn là chuyển đổi sự thay đổi áp suất khí, âm thanh thành tín hiệu được để

xử lý bằng các linh kiện điện tử

- Để đo âm thanh hay một đại lượng vật lý bất kỳ trên một thiết bị chúng ta cần chuyển đại lượng đó sang tín hiệu điện Sau đó sẽ có hay không có bộ lọc dùng để lọc bỏ những tần số không cần thiết có thể gây nhiễu Tín hiệu sau bộ lọc thường rất nhỏ (mv), do đó cần khuếch đại tín hiệu này lên trước khi đưa vào xử lý Tín hiệu sau khi khuếch đại sẽ được chuyển sang tín hiệu một chiều, rồi đưa đến bộ chuyển đổi tuyến tính / loga vì tai người phản ứng âm thanh theo hàm loga Các phần còn lại có nhiệm vụ là lấy giá trị trung bình tại một thời điểm và hiển thị ra màn hình

- Vậy bộ phận nào là quan trọng nhất và mang tính quyết định trong máy đo độ ồn?

Đó chính là bộ chuyển tín hiệu âm sang tín hiệu điện, hay còn gọi là cảm biến âm Cảm biến âm hay microphone càng nhanh và đáp ứng tốt với sự thay đổi áp suất khí thì máy đo càng chính xác Microphone hoạt động giống hệt tai người

Sơ đồ khối của một máy đo độ ồn như sau:

Hình 9: Sơ đồ máy đo độ ồn

6 Các phương pháp đo độ ồn

Nhằm đo cường độ tiếng ồn tại một thời điểm nào đó, xác định tần số của nguồn phát ra tiếng ồn và các nhiễu có thể ảnh hưởng trong lúc đo

Người ta thường đo tiếng ồn trong công nghiệp vì những lý do như:

- Xác định xem tiếng ồn đó có gây hại hoặc làm khó chịu đến thính giác hay không Một người làm việc trong môi trường âm có độ ồn lớn hơn 90 dB trong một ngày thì sẽ bị tác động như thế nào?

- Xác định tiếng ồn trong khu vực đó có vượt mức cho phép không, nếu vậy thì cần cảnh báo và phải điều chỉnh làm giảm cường độ của nguồn âm

- Và cũng nhằm để so sánh tiếng ồn do từng thiết bị phát ra nhằm so sánh xem thiết

bị nào phát ra tiếng ồn có cường độ lớn nhất hoặc tần số cao nhất để đặt thiết bị tại một vị trí thích hợp để làm việc mà không bị ảnh hưởng

 Từ những yêu cầu đo tiếng ồn như trên người ta đưa ra những cách xác định âm như sau:

- Đo sự chịu đựng tiếng ồn nhằm bảo vệ thính giác cho người lao động trong môi trường ồn ào và không có tiêu chuẩn cho sự cách âm

- Đo tiếng ồn ảnh hưởng đến cộng đồng nhằm đánh giá tiếng ồn tại một nguồn âm (như khu công nghiệp) ảnh hưởng đến khu dân cư gần đó như thế nào Vấn đề này vẫn chưa được thống nhất và chuẩn hóa

- Đo tiếng ồn cho từng loại máy móc khác nhau hay còn gọi là đo mức áp suất âm thanh của một nguồn âm Cách xác định âm này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc tế

- Hiện tại người ta đo tiếng ồn của một nguồn bất kỳ hay còn gọi là đo cường độ âm thanh và là hiệu quả để đánh giá nguồn âm

7 Ưu và nhược điểm

a Ưu điểm:

- Dùng vi xử lý PIC để làm 3 nhiệm vụ là chuyển đổi DC, chuyển đổi lin/log và lấy giá trị trung bình xuất ra màn hình nên giảm kích thước máy đo đáng kể, tăng độ chính xác và làm giảm tiêu hao năng lượng

- Microphone nhỏ, có độ nhạy cao và được hiểu chuẩn theo tiêu chuẩn quốc tế bằng cách dùng microphone của hãng B&K Vì vậy làm tăng độ chính xác cho máy đo

8 Máy đo độ ồn ở Việt Nam

- Việt nam là nước đang phát triển, nhiều ngành công nghiệp và nhà máy đã và đang mọc lên Tiếng ồn, cường độ ồn cũng tăng dần theo thời gian Và con người bắt đầu chú ý hơn đến ô nhiễm tiếng ồn do ảnh hưởng ít nhiều đến sức khỏe Vì vậy, việc đo độ ồn vẫn còn là đề tài mới ở Việt nam trong vài năm gần đây

- Với mật độ dân cư đông đúc thuộc vào bậc nhất thế giới, 40.000 người/km2, thành phố Hồ Chí Minh là nơi bị ô nhiễm tiếng ồn nặng Hơn nữa sự phát triển các nhà máy dày đặc tại thành phố cũng góp phần khá lớn vào sự ô nhiễm này Do đó máy

đo độ ồn trở nên cần thiết cho các gia đình để đánh giá tiếng ồn xung quanh và nó giúp cho các nhà máy, công ty, hoặc tổ chức ô nhiễm tiếng ồn của chính phủ đánh giá tình hình ô nhiễm tiếng ồn của thành phố và của từng cá nhân công ty

- Hiện ở Việt Nam chưa có công ty nào chính thức sản xuất máy đo độ ồn, có thể vì những lý do như: nhu cầu thị trường thấp, không cạnh tranh với thiết bị trên thị trường Hoặc do độ chính xác không cao vì không có nguồn cảm biến âm tốt nên không được ưa chuộng

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN ÂM

I Microphone electret: bao gồm đặc điểm kỹ thuật, và chất lượng: giới thiệu các

loại mic và đưa lý do dùng electret mic

Microphone là linh kiện giao tiếp giữa vùng âm thanh và hệ thống đo Nó đáp ứng theo áp suất âm và chuyển thành tín hiệu điện để xử lý bởi thiết bị đo Thiết bị tốt nhất không thể cho tín hiệu tốt hơn ngõ ra của microphone Do đó microphone đóng một vai trò rất quan trọng trong thiết bị đo Việc chọn và dùng microphone phải hết sức cẩn thận để tránh nhiễu và lỗi và phải biết trước đặc điểm kỹ thuật của microphone đó như đáp ứng tần số, độ ổn định và độ nhạy, để đánh giá nó có thỏa yêu cầu cho một thiết bị đo hay không

Người ta chia microphone thành 4 loại: microphone áp điện, microphone tụ điện, microphone electret và microphone động

1 Microphone áp điện: là microphone có màng rung được gắn với tinh thể áp điện

và tạo ra dòng điện khi có lực căng cơ học Nguyên lý hoạt động của microphone này là khi không khí dao động tạo ra sóng âm, màng rung tạo sóng âm này và tạo

áp lực lên tinh thể áp điện và chuyển dao động này thành tín hiệu điện Ưu điểm của loại microphone này là ổn định, cho tín hiệu mạnh và ít bị ảnh hưởng của điều kiện khí hậu xung quanh

2 Trong microphone tụ điện, màng rung được gắn song song với một bản cố định

để tạo thành tụ điện Ta cấp một điện thế phân cực (DC) giữa hai bản tụ này Khi sóng âm tạo dao động trên màng rung, điện dung giữa hai bản cực thay đổi và tạo

ra tín hiệu điện nhỏ Microphone loại này chính xác hơn những loại khác và được dùng hầu hết trong các máy đô âm chính xác Tuy nhiên chúng dễ bị ảnh hưởng của bụi và độ ẩm

3 Một loại microphone tụ điện khác được dùng khá phổ biến là electret Trong

trường hợp này hiệu điện thế được tạo thành nhờ sự tích điện cố định (tích điện tĩnh-static charge) trên một bản tụ và không cần điện áp phân cực bên ngoài Loại microphone này ít bị ảnh hưởng bởi bụi và độ ẩm so với microphone có điện áp phân cực ngoài

4 Loại microphone cuối cùng có màng rung được gắn vào một cuộn dây nằm giữa vùng từ trường, khi microphone dao động tạo sự khác biệt điện thế giữa các cực của cuộn dây Đây là tín hiệu cần được xử lý Microphone động có độ bền cơ học nhưng do đáp ứng tần số thấp làm giới hạn mạnh khả năng dùng của nó trong việc

đo âm

II Cấu tạo và nguyên lý của microphone:

1 Cấu tạo: microphone gồm vỏ, bản tụ (có tích điện tĩnh-static charge), màng rung,

nắp đậy và IC đệm Trong đó màng rung và bản tụ tạo thành hai mặt của tụ điện với điện tích được nạp vào bản tụ Ba thành phần quan trọng nhất quyết định đặc tính kỹ thuật và độ chính xác của microphone đó là IC đệm, màng rung và bản tụ

Hình 10: Cấu tạo microphone

2 Nguyên lý hoạt động của microphone:

Âm thanh đi vào ống dẫn thanh sẽ làm rung màng mỏng – Do miếng đệm

đã tích điện sẵn nên trên màng rung sẽ ghi nhận sự thay đổi điện áp (nó giống như

1 tụ điện với 1 bảng cực là miếng đệm, 1 bảng cực là màng rung) Dây kết nối sẽ truyền tín hiệu thay đổi đến mạch điện, mạch điện sẽ ghi nhận sự thay đổi và khuếch đại âm thanh cho lớn hơn ở đầu ra Kết quả là ở ngõ ra chúng ta có một tín hiệu điện mô phỏng theo sự thay đổi âm thanh ở đầu vào

a IC đệm: được cấu tạo bởi sự tích hợp rất nhiều thành phần điện tử bên trong Nó

có nhiệm vụ nhận sự thay đổi tín hiệu ở đầu vào và khuếch đại tín hiệu đó lớn lên

ở đầu ra Và đó là linh kiện đắt tiền nhất trong microphone Tùy theo cấu tạo, yêu cầu của từng loại microphone mà IC đệm được thiết kế khác nhau, về kỹ thuật và đặc tính điện

Hình 11: IC đệm loại lớn và loại nhỏ

Hình 12: IC đệm trong microphone

b Bản tụ: Miếng đệm được cấu tạo bởi 3 thành phần cơ bản: Kim loại, Teflon và

Kapton Nhiệm vụ của miếng đệm là tích một lượng điện cố định trước khi lắp vào micrô

Hình 13: Cấu tạo bản tụ

c Màng rung: Màng rung được cấu tạo gồm một khung kim loại trên đó có 1 lớp

màng mỏng Lớp màng mỏng được phủ một lớp vàng dùng để dẫn điện trên toàn

bề mặt Màng rung có nhiệm vụ nhận sự thay đổi áp suất không khí ở đầu vào (do

âm thanh gây ra), nó sẽ rung theo độ cao hay thấp của âm thanh

Ngoài ra membrane còn có chức năng chia case ra làm 2 phần riêng biệt

Hình 14: Cấu tạo màng rung

III Thông số quan trọng của microphone

1 Độ nhạy của microphone

Độ nhạy (hay còn gọi là sensitivity) của microphone được định nghĩa là biên độ tín hiệu ngõ ra đối với áp suất âm tại 1 Pa (94 dB) ở 1000 Hz

Độ nhạy = 20 log

[dB] hay [V/Pa]

hay độ nhạy = 20 log

Vì vậy nếu microphone cho tín hiệu V = 10 mV với áp suất 1Pa (94 dB) sẽ có độ nhạy 10 mV/Pa hoặc -40 dB Ở đây p0 = 1Pa và V0 = 1 volt

Thông thường khi đề cập đến độ nhạy của một microphone ta mặc định là độ nhạy tại 1 kHz vì đó là tần số cơ bản của tín hiệu

Hình 15: Đặc tuyến và độ nhạy của mic Các thông số ảnh hưởng đến độ nhạy của microphone: IC đệm, điện áp của bản tụ, màng rung, kapton và kích thước của case

2 Tần số đỉnh

Là tần số mà tại đó đáp ứng của microphone là cực đại hay là tần số đo được tại vị trí cộng hưởng

Hình 16: Tần số đỉnh của đặc tuyến Các thông số ảnh hưởng đến tần số đỉnh là màng rung, lưới, miếng đệm dưới bản

tụ

3 Delta LF – roll off

Là độ lệch của độ nhạy khi đo giữa tần số thấp (50 Hz or 75 Hz or 100 Hz) so với tần số 1 kHz

Hình 17: Delta LF Các thông số ảnh hưởng đến delta LF là IC đệm, lỗ bù màng rung và hàn không kín xung quanh

4 Delta peak

Là độ lệch của độ nhạy khi đo giữa tần số cộng hưởng (peak) so với tần số 1khz

Hình 18: Delta peak Các thông số ảnh hưởng đến delta peak là màng rung, lưới, miếng đệm dưới bản

tụ

5 Đáp ứng tần số

Đáp ứng tần số là mức ngõ ra hay độ nhạy của microphone trên khoảng tần số hoạt động của nó từ thấp nhất đến cao nhất Nó bao gồm 2 loại:

Đáp ứng phẳng: Đối với các tần số mà tai người nghe được (khoảng từ 20 Hz đến

20 kHz) có cùng mức ngõ ra Đáp ứng này thích hợp cho các ứng dụng tái tạo nguồn âm mà không làm thay đổi âm thanh gốc như việc ghi âm

Vài microphone được thiết kế để cho đặc tính đáp ứng phẳng khi hướng truyền của âm vuông góc với màng rung Những âm thanh này được gọi là microphone trường tự do và được hướng về nguồn âm quan trọng nhất Hình 2 minh họa đặc tính đáp ứng tần số của microphone này

Hình 19: Đáp ứng tần số của microphone trường tự do (00)

Số lượng đường cong thể hiện góc của sóng âm đến tương ứng với trục vuông góc với màng rung

Đáp ứng được chỉnh sửa: thường được thiết kế để tăng cường nguồn âm cho ứng dụng đặc trưng Ví dụ microphone có thể có đỉnh trong khoảng 2 đến 8 kHz để tăng khả năng nghe đối với các âm trực tiếp

Hình 20: Đáp ứng tần số của mic có chỉnh sửa

PHẦN 2: THIẾT KẾ MÁY ĐO ĐỘ ỒN

CHƯƠNG 3: LINH KIỆN CHÍNH DÙNG CHO THIẾT KẾ

Máy đo độ ồn là thiết bị quan trọng và hiệu quả để phân tích âm thanh và được nhiều công ty trên thế giới sản xuất như General Radio, Larson-Davis, Ono Sokki, CEL Instruments, Radio Shack, Bruel & Kjaer v.v Trong đó Bruel & Kjaer

là công ty nổi tiếng nhất về các thiết bị trong lĩnh vực âm học Microphone được dùng trong đề tài này cũng được đo và hiệu chuẩn bằng microphone của Bruel & Kjaer, microphone tụ điện Microphone này có độ nhạy hầu như không thay đổi theo thời gian

Máy đo độ ồn gồm hai thành phần chính:

- Phần thu âm gồm micro và bộ tiền khuếch đại

- Phần khuếch đại xử lý và hiển thị Máy đo mức âm khuếch đại tín hiệu rất nhỏ từ microphone (mV) và xử lý tín hiệu nhận được trước khi đưa ra màn hình hiển thị

Bộ phận quan trọng nhất của máy đo mức âm là microphone và trong đề tài này microphone được dùng là electret do đó microphone này sẽ được tìm hiểu kỹ Phần khuếch đại và hiển thị ít quan trọng hơn nên không được đề cập

I Microphone electret : microphone electret được dùng cho đề tài là 65GB31T

Dưới đây là đặc tính kỹ thuật của microphone do Sonion sản xuất:

Tất các các thông số bên dưới được đo ở 0.9V và dùng tải có trở kháng 26 kΩ mắc song song với 200pF Tụ 1uF được gắn ở ngõ AC Sản phẩm được đo ở điều kiện

230C (73.4 F), độ ẩm 50%

1 Kích thước của microphone:

Hình 21: Kích thước của mic 65GC31T