IT202000028430A1 - Metodo di taratura di microfono, in particolare microfono per uso aeronautico - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: ?METODO DI TARATURA DI MICROFONO, IN PARTICOLARE MICROFONO PER USO AERONAUTICO?
La presente invenzione si riferisce ad un metodo di taratura di microfono, in particolare microfono per uso aeronautico.
Sfondo dell'invenzione.
Attualmente, il metodo pi? affidabile per la taratura dei microfoni ? quello relativo alla tecnica della "Reciprocit?" alla Rayleigh (IEC 61094-2).
La Norma 61094-2 ? la versione italiana della Norma Europea CENELEC EN 61094-2, identica alla Pubblicazione IEC 1094-2 e si applica ai microfoni campione di laboratorio conformi ai requisiti della Pubblicazione IEC 1094-1 e ad altri tipi di microfoni a condensatore aventi le stesse dimensioni meccaniche; specifica inoltre, un metodo primario per determinare la sensibilit? alla pressione in modo da stabilire una base riproducibile e precisa per la misura della pressione acustica.
Tale metodo fa uso di coppie o terne di sole capsule microfoniche (di cui almeno una pi? performante che funge da riferimento, e l'altra appartenete alla stessa famiglia da sottoporre a taratura) accoppiati face-to-face in una piccola cavit? che alternativamente fungono da generatori e misuratori di onde acustiche fornendo la sensibilit? del microfono (es. 50mV/Pa) nelle varie condizioni di prova.
Questo metodo di taratura viene impiegato soprattutto negli istituti Metrologici Primari Nazionali e trova una minore applicazione in campo industriale in quanto di lunga e delicata implementazione.
Metodi di taratura sono descritti nelle domande di brevetto US10519033B2, WO2019077231A1, US10520356B2.
Oggetto dell'invenzione
Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un nuovo metodo di taratura Microfonica, accurato e robusto ed adatto ad essere applicato in campo industriale, in particolare nella industria aeronautica.
Scopo della presente invenzione.
Il precedente scopo ? raggiunto dalla presente invenzione in quanto ? relativo ad un metodo di calibrazione del tipo realizzato dalla rivendicazione 1.
Descrizione delle figure.
La figura 1 illustra una apparecchiatura di taratura 1 che realizza il metodo della presente invenzione;
La figura 2 illustra un particolare della apparecchiatura della figura 1; e
la figura 3 illustra un flow chart che riassume le operazioni di taratura svolte.
Descrizione preferita dell'invenzione
La figura 1 illustra una apparecchiatura di taratura 1 che realizza il metodo della presente invenzione.
Tale apparecchiatura di taratura 1 comprende:
un primo tubo ad onda stazionaria 2 avente una prima estremit? 2-a che porta un microfono 3 di riferimento ed una seconda estremit? 2-b configurata a ricevere un segnale acustico di ingresso; e
un secondo tubo ad onda stazionaria 4 avente una prima estremit? 4-a che porta un microfono 5 soggetto a taratura ed una seconda estremit? 5-b configurata a ricevere il segnale acustico di ingresso.
Nell'esempio illustrato i tubi 2 e 4 presentano forma rettilinea cilindrica e sono affiancati tra di loro. Ad esempio, i tubi 2 e 4 sono realizzati in acciaio, entrambi lunghi circa 1m e presentano diametro interno di 30mm, e diametro esterno di 38mm.
Ciascun microfono 3, 5 ? portato da un Plug 7 (supporto inseribile a tappo) sagomato per sostenere il microfono e disposto a chiusura della rispettiva estremit? 2-a e 2-b.
Il plug (figura 2) 7 ? costituito da un corpo a tazza 8 provvisto di una filettatura interna 8f atto ad accoppiarsi con una filettatura realizzata sulla superficie esterna della estremit? 2-a. Il corpo a tazza 8 porta un anello di teflon 9 dal diametro interno pari al diametro esterno del corpo del microfono 3,5 che ? portato dall'anello 9; una rondella di acciaio sagomata a forma di corona circolare piana 13 ricopre il lato dell'anello di Teflon 9 rivolto verso il tubo 2 e 4 e simula una superfice riflettente.
All'estremit? del corpo a tazza ? praticato un foro per accomodare una porzione del microfono 3,5 che fuoriesce dal corpo a tazza mentre un dado gommato 9d stringe il collare del Microfono per bloccarne il c?dolo.
Le seconde estremit? 2-b, 4-b (figura 1) sono collegate attraverso un raccordo 10 con un tubo a Y 12 che presenta un braccio centrale 12-a collegato con il raccordo 10 e ciascuna delle estremit? disposte al termine dei rispettivi bracci divergenti 12-b, 12-c porta una sorgente sonora 14, 15 realizzata da uno speaker (di tipo noto). Il raccordo 10 adatta da un lato il profilo circolare a singolo diametro del tubo a Y 12 con uno a due diametri del primo e del secondo tubo ad onda stazionaria 2 e 4. Il raccordo 10 realizza una 'tromba esponenziale' (Schaum Theory of Acoustic - W.Seto, Ch. 5) di tipo noto. Le funzioni di una tromba esponenziale sono descritte, ad esempio, sul testo Exponential Horn - Schaum Theory and Problem of Acoustic? Mc Graw Hill Book Company.
Per la precisione la lunghezza ottimizzata del raccordo 10 vale:
L=ln(D/de)?C/(2??fmin).
Dove D ? il diametro della condotta 12-a sorgente,
de la condotta di carico equivalente (primo e secondo tubo 2 e 4)
fmin ? una frequenza minima; e
C rappresenta la velocita della propagazione del suono nel mezzo (aria 343 m/s).
All'interno dei tubi 2 e 4 si propagano appunto onde piane stazionarie che, come noto, sono caratterizzate dal fatto che in ogni sezione ortogonale alla direzione di propagazione (asse del tubo in questo caso), la velocit? delle particelle d'aria e la pressione sono uniformi in ciascun istante e variano periodicamente nel tempo.
Gli speaker 14, 15 sono atti a realizzare frequenze comprese in un range (ad esempio 10Hz - 20,000,00 Hz) in cui operano i microfoni 3 e 5.
La apparecchiatura 1 comprende un generatore di segnale 20 il quale ? collegato in uscita con gli speaker 14 e 15 attraverso un amplificatore 22 la cui potenza di uscita di uscita pu? essere regolata in modo remoto. L?amplificatore 22 presenta bassa distorsione armonica. Uno dei parametri per valutare l?eccellenza di un Amplificatore ? il THD, l?Amplificatore 22 in questione dovrebbe possedere un THD <0,1% https://en.wikipedia.org/wiki/Total_harmonic_distortion), Il generatore di segnale 20 (di tipo noto) ? configurato per produrre un segnale di uscita con un alto livello di purezza tonale, controllabile in frequenza, in ampiezza ed opzionalmente in fase. Il generatore di segnale 20 produce un segnale con forma d'onda sinusoidale.
Pu? essere previsto un dispositivo 23 atto a regolare la pressione dei gas (aria) presenti all'interno del primo e secondo tubo 2 e 4 per simulare la condizione di diminuzione della pressione atmosferica che si verifica durante il volo di un velivolo.
Il microfono 3 ed il microfono 5 sono collegati mediante cavi schermati 24, 25 con ingressi di rispettivi preamplificatori 27, 28 collegati in uscita con un analizzatore di spettro 30 (utilizzato per misurare la purezza del tono) le eventuali distorsioni, l?incidenza di misura alla rotazione/accoppiamento ed un frequenzimetro 31 (utilizzato per misurare la fondamentale). L?analizzatore di spettro viene utilizzato anche per la misura della pressione sonora.
Come ? noto la pressione sonora (SPL = sound pressure level) ? la variazione della pressione dinamica di fronti d?onda elastica nel mezzo (aria) misurata in dB (ref 20uPa).
La apparecchiatura di taratura 1 opera sotto il controllo di un elaboratore 35 il quale controlla il generatore sinusoidale di segnale 20, l'amplificatore 22 e comunica con i microfoni 3 e 5 e con l'analizzatore di spettro 30 ed il frequenzimetro 31 per l'analisi del segnale rilevato dai microfoni 3, 5.
La apparecchiatura 1 sotto il controllo dell'elaboratore 30 realizzale seguenti fasi (figura 3): Viene attivato il generatore di segnale 20 (blocco 100) e viene settata la potenza dell'amplificatore 22 in modo tale da fornire alla seconda estremit? del primo e del secondo tubo 2, 4 un segnale acustico sinusoidale di ingresso avente frequenza, e pressione sonora definita;
Viene misurata la pressione sonora (blocco 110) rilevata dal primo e dal secondo microfono 3, 5;
L'elaboratore agisce sull'amplificatore 22 in modo tale da fare crescere la pressione sonora del segnale acustico di ingresso da un valore iniziale finch? viene misurato un primo valore di pressione sonora target DB1r (ad esempio 94,0dB) mediante il microfono di riferimento 3 e contemporaneamente rilevare un primo valore di pressione sonora DB1t mediante il microfono 5 soggetto a taratura (blocco 120);
L'elaboratore agisce sull'amplificatore 22 in modo tale da incrementare ulteriormente la pressione sonora del segnale acustico di ingresso di una prima quantit? ?DB1 (ad esempio 20dB ? blocco 130) e rilevare un secondo valore di pressione sonora DB2r mediante il microfono di riferimento 3 e contemporaneamente rilevare (blocco 140) un secondo valore di pressione sonora DB2t mediante il microfono 5 soggetto a taratura;
L'elaboratore agisce sull'amplificatore 22 in modo tale da diminuire la pressione sonora del segnale acustico (blocco 150) di ingresso di una seconda quantit? -?DB2 (ad esempio -40dB) maggiore della prima ?DB1e rilevare un terzo valore di pressione sonora DB3r mediante il microfono di riferimento 3 e contemporaneamente rilevare un terzo valore di pressione sonora DB3t mediante il microfono soggetto a taratura 5 (blocco 160);
incrementare nuovamente la pressione sonora del segnale acustico di ingresso di una terza quantit? ?DB3 (ad esempio 20dB ? blocco 170) e rilevare un quarto valore di pressione sonora DB4r mediante il microfono di riferimento 3 e contemporaneamente rilevare un quarto valore di pressione sonora DB4t rilevato mediante il microfono soggetto a taratura 5 (blocco 180);
la somma tra la prima e la terza quantit? corrispondendo al valore assoluto della seconda quantit?;
L'elaboratore 35 controlla se il quarto valore di pressione sonora DB4t rilevato mediante il microfono soggetto a taratura 5 corrisponde sostanzialmente al primo valore di pressione sonora DB1t sempre rilevato mediante il microfono soggetto a taratura 5 (blocco 190) ed in caso positivo rileva una corretta taratura del microfono 5 (blocco 200) per la frequenza del segnale utilizzato.
Le operazioni precedenti sono ciclicamente ripetute (blocco 210) per frequenze diverse al fine di rilevare la corretta taratura del microfono in tutto il range di frequenze di riferimento.
Qualora le operazioni del blocco 190 abbiano dato esito negativo viene rilevato un fail per il microfono in taratura e le operazioni sopra descritte sono ripetute per una diversa frequenza.
Le operazioni del flow chart di figura 3 sono ripetute dopo aver variato la pressione nei tubi ad onda stazionaria 2,4 per valutare il funzionamento del microfono 3 a quote diverse.
Claims (6)
1. Metodo di taratura di microfono, in particolare microfono per uso aeronautico, comprendente le seguenti fasi A) accoppiare un microfono di riferimento (3) ad una prima estremit? (2-a) di un primo tubo ad onda stazionaria (2);
B) accoppiare un microfono soggetto a taratura (5) ad una prima estremit? (4-a) di un secondo tubo ad onda stazionaria (4);
C) fornire alla seconda estremit? del primo e del secondo tubo un segnale acustico di ingresso in modo tale che nei tubi si propaghino onde piane stazionarie;
D) misurare l?pressione sonora del segnale acustico rilevato dal primo e dal secondo microfono (3,5);
E) fare crescere l?pressione sonora del segnale acustico di ingresso da un valore iniziale finch? viene misurato un primo valore di pressione sonora DB1r mediante il detto microfono di riferimento (3) e contemporaneamente rilevare un primo valore di pressione sonora DB1t mediante il microfono soggetto a taratura (5);
F) incrementare ulteriormente l?pressione sonora del segnale acustico di ingresso di una prima quantit? ?DB1 e rilevare un secondo valore di pressione sonora DB2r mediante il detto microfono di riferimento (3) e contemporaneamente rilevare un secondo valore di pressione sonora DB2t mediante il microfono soggetto a taratura;
G) diminuire l?pressione sonora del segnale acustico di ingresso di una seconda quantit? -?DB2 maggiore della prima ?DB1e rilevare un terzo valore di pressione sonora DB3r mediante il detto microfono di riferimento (3) e contemporaneamente rilevare un terzo valore di pressione sonora DB3t mediante il microfono soggetto a taratura (5);
H) incrementare nuovamente la pressione sonora del segnale acustico di ingresso di una terza quantit? ?DB3 e rilevare un quarto valore di pressione sonora DB4r mediante il detto microfono di riferimento (3) e contemporaneamente rilevare un quarto valore di pressione sonora DB3t rilevato mediante il microfono soggetto a taratura (5);
la somma tra la prima e la terza quantit? corrispondendo al valore assoluto della seconda quantit?;
I) controllare se il quarto valore di pressione sonora rilevato mediante il microfono soggetto a taratura corrisponde sostanzialmente al primo valore di pressione sonora DB1t mediante lo stesso microfono soggetto a taratura ed in caso positivo rilevare una corretta taratura del microfono.
2.- Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui le fasi C) ? I) sono ripetute per frequenze diverse del segnale acustico.
3.- Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la seconda quantit? ? il doppio della prima e della terza.
4.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui le fasi C) ? I) sono ripetute dopo aver fatto variare la pressione dei gas all?interno dei detti tubi ad onda stazionaria per simulare il funzionamento dei microfoni a quote diverse.
5.- Apparecchiatura di taratura 1 per realizzare il metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente:
il primo tubo ad onda stazionaria (2) avente una prima estremit? (2-a) che porta il microfono (3) di riferimento ed una seconda estremit? (2-b) configurata a ricevere il segnale acustico di ingresso; e
il secondo tubo ad onda stazionaria (4) avente una prima estremit? (4-a) che porta il microfono (5) soggetto a taratura ed una seconda estremit? 5-b configurata a ricevere il segnale acustico di ingresso.
ciascun microfono (3, 5) ? portato da un Plug (7) sagomato per sostenere il microfono e disposto a chiusura della rispettiva estremit? (2-a e 2-b) del tubo ad onde stazionarie;
un raccordo (10) che collega le seconde estremit? del primo e del secondo tubo con un tubo a Y (12);
il tubo a Y (12) presenta un braccio centrale (12-a) collegato con il raccordo (10) e ciascuna delle estremit? disposte al termine dei rispettivi bracci divergenti (12-b), (12-c) porta una sorgente sonora (14, 15) realizzata da uno speaker;
un generatore di segnale (20) il quale ? collegato in uscita con gli speaker (14 e 15) attraverso un amplificatore (22) la cui potenza di uscita pu? essere regolata.
un elaboratore (35) il quale controlla il generatore di segnale (20), l'amplificatore (22) e comunica con i microfoni (3 e 5) per l'analisi del segnale rilevato dai microfoni (3, 5) e la realizzazione delle fasi del metodo.
6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 5 in cui il plug (7) ? costituito da un corpo a tazza (8) che porta un anello (9) dal diametro interno pari al diametro esterno del corpo del microfono (3,5) che ? portato dall'anello (9); una rondella metallica sagomata a forma di corona circolare (13) ricopre il lato dell'anello (9) rivolto verso il tubo (2 e 4) e simula una superfice riflettente.
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