TW201424410A - 麥克風測試裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種麥克風測試裝置。該測試裝置包含一測試腔、一聲源、一參考麥克風及一聲阻。該聲源經組態以在該測試腔內產生聲波。該參考麥克風經定位以在該測試腔內接收該聲波。該聲阻與該測試腔形成一相連空間，且經調整大小以對於一固定高頻率極限阻止該聲波之共振及回波。

Description

麥克風測試裝置 [相關申請案]

本專利申請案主張於2012年9月14日申請之先前申請之同在申請中美國臨時申請案第61/701,127號之權利，該案之全部內容以引用之方式併入本文中。

本發明係關於一麥克風測試裝置。特定而言，本發明係關於一麥克風測試裝置，其自一測試腔移掉及消除共振及回波聲波，使得整個該測試腔內聲壓保持一致。

聲學測試腔僅在被測器件及參考麥克風暴露至相同聲壓時有效。由於該腔內之駐波之聲學共振阻止腔內的壓力一致，此等非一致壓力場形成之頻率取決於該測試裝置之尺寸及設計。此等非一致壓力場阻止聲學環境之正確及可重複性量測。

典型麥克風測試腔具有一聲源、一測試腔(所有邊界擁有無限大阻抗)及一參考麥克風(用以決定被測器件正在經受之壓力)。測試場之至少一尺寸(且通常所有的尺寸)比被量測之聲音之波長長。

在低頻率下，該腔之大小與被測試聲壓之波長相比通常非常小。該波行進且自諸壁反射，但該波長阻止該經反射波之最佳消除。

此在圖1中繪示。一測試腔100包含一聲源105(例如，一揚聲器)、一被測器件(DUT)110(即、一麥克風)及一參考麥克風115。在該腔100內之一致陰影指示整個腔100內之聲壓相等。

然而，在較高頻率下，其中該聲壓之波長小於該腔之大小，整個該腔內之聲壓不再相等。如圖2中所示，聲能離開揚聲器105且自剛性腔壁反射，且在腔100內發生共振。結果在麥克風110口處之壓力不等於來自揚聲器105之聲壓或參考麥克風115處之壓力。此係藉由整個腔100內之不一致陰影指示。

在圖2中展示之方案中，存在一駐波模式，其中在測試腔100之中間存在接近零之壓力，且在聲源105及參考麥克風115處存在一最大壓力。在甚至更高的頻率下，發生額外共振。

在一實施例中，本發明提供一種麥克風測試裝置。該測試裝置包含一測試腔、一聲源、一參考麥克風及一聲阻。該聲源經組態以在該測試腔內產生聲波。該參考麥克風經定位以在該測試腔內接收該聲波。該聲阻與該測試腔形成一相連空間，且經調整大小以對於一固定高頻率極限阻止該聲波之共振及回波。

110‧‧‧被測器件

105‧‧‧揚聲器

300‧‧‧麥克風測試裝置

305‧‧‧測試腔

310‧‧‧聲源

315‧‧‧參考麥克風

320‧‧‧被測器件

325‧‧‧聲阻

700‧‧‧流體

705‧‧‧流體

圖1係於一麥克風測試腔內低頻率聲壓之一繪示。

圖2係在該測試腔內發生較高頻率下之不等聲壓之一繪示。

圖3係一麥克風測試腔之一結構之一剖視圖。

圖4A係繪示減小一測試腔內之體積之聲源之該測試腔之一圖。

圖4B係繪示增加一測試腔內之體積之聲源之該測試腔之一圖。

圖5A係繪示當該測試腔內體積減小時產生熱之一圖。

圖5B係繪示當該測試腔內體積增加時損失熱之一圖。

圖5C係展示該測試腔內聲順之電當量之一示意圖。

圖6係繪示該測試腔之理想聲慣量之一圖。

圖7A係繪示該測試腔之實際聲慣量之一圖。

圖7B係展示該測試腔內之實際聲慣量之電當量之一示意圖。

圖8A係繪示該測試腔之實際聲慣量及實際聲順之一圖。

圖8B係展示該測試腔內實際聲慣量及實際聲順之電當量之一示意圖。

圖9係一示意圖，其中一測試腔之部分具有對於不同頻率之聲壓之實際聲順及實際慣量。

圖10係展示隨著測試腔之直徑減小對於各種頻率之實際聲順之電感分量之一圖表。

圖11係展示隨著測試腔之直徑減小對於各種頻率之實際慣量之電容分量之一圖表。

圖12係展示隨著測試腔之直徑減小，電阻分量與電感分量之關係的結果變化之一圖表。

圖13係展示隨著測試腔之直徑減小，電阻分量與電容分量之關係的結果變化之一圖表。

圖14繪示適當地調整測試腔之大小，產生在所有所需要頻率處之一聲阻。

在詳細敘述本發明之任何實施例之前，應理解本發明之應用並不限於在以下說明中陳述或以下圖式中所繪示之組件之結構及配置之細節。本發明能夠做出其他實施例，且可以各種方式實踐或實施。

圖3展示體現本發明之一麥克風測試裝置300之一結構。該測試裝置300包含一測試腔(洞)305、一聲源310、一參考麥克風315、一被測器件(DUT)320(例如，一MEMS麥克風)及一聲阻325。該測試腔305及該聲阻325形成一相連腔，且用一流體填充(例如，空氣、氮氣及氦氣等)。

聲源310發出聲波(即，一聲壓)，其被參考麥克風315及DUT 320拾取。參考麥克風315與DUT 320之輸出相比較以測試DUT 320之功 能。由聲源310發出之聲波可在一定頻率(諸如，聲頻)範圍內變化。

為使DUT 320之測試有效，DUT 320與參考麥克風315兩者必須接收相同的聲波。然而，若測試腔305或聲阻325未被正確調整大小，則聲波之回波可導致參考麥克風315及DUT 320接收不同的聲波。

為改善測試裝置305之效能，將測試腔305的體積製作成相對於DUT 320儘可能小，以使測試腔305比由揚聲器310輸出之聲波的波長小(見圖1)。然而，此較小腔305獨自不能解決存在於腔305中不一致聲壓的問題。較小腔305解決聲波在某頻率以下的問題，但不能解決較高頻率的問題(見圖2)。在許多情況下，此頻率臨限值仍在音頻帶中，其中該測試在測試腔305中會產生不一致壓力的頻率下仍然不準確。

因為所有腔壁的聲阻抗係無限大的，增強了測試腔305中的共振。為解決該問題，添加聲阻抗(即，聲阻325)(例如，添加至該等壁之一者)，導致聲能不反射回腔305中，且從而阻止該等共振。

聲阻325，除具有聲阻抗之外，亦具有位能及動能儲存。為進行的有效，聲阻325需要被正確地調整大小以消除位能及動能儲存。

管道中聲壓類似於電線中電壓，聲體積速度類似於一電線中之電流。吾人可使用此等關係以藉由使用電子類比來描述通過一管道之一聲波的傳播。再者，位能儲存(聲順)類似於一電容器，且動能儲存(聲慣量)類似於一電感器。

藉由以下公式來決定聲順：

其中：V=有效體積[m3]

γ=cp/cv比熱之比

p _m =P _o環境壓力[Pa]

圖4A展示減小腔305中體積之聲源310，且圖4B展示增加腔305中 體積之聲源310(例如，一揚聲器錐體之振動)。當該體積減小時形成熱，且當該體積增加時移掉熱。在理想情況下，腔305之壁不允許熱進入或離開操作流體。

然而，實際上，腔305之壁確實允許熱進入或離開流體。如圖5A所示，隨著聲源310減小腔305中之體積，產生熱且該熱之一些被腔305之壁吸收。圖5B展示聲源310增加腔305之體積，從而導致流體自腔305之壁吸收一些熱。然而，此種熱傳遞並不理想。由管子之壁吸收之熱的量與返回該流體之熱的量不相等。因此，取代理想的聲順(即，一電容器)，實際聲順包含一阻抗R_K，如圖5C所示。該阻抗R_K分量係由以下公式決定：

其中：Π=壁之潮濕表面面積(橫截面面積X長度)

ω=角頻率

=熱穿透深度

K=材料之導熱係數

Cp=定壓比熱

Vm=莫耳體積

聲慣量(圖6)(藉由類比電感器表示)係藉由以下公式決定：

其中：ρ=密度

△x=有效長度

A=橫截面面積

然而，事實上如圖7A所示，更靠近腔305之壁的流體700黏在該壁上，且該壁與該流體之間的摩擦，及在靠近該壁之流體700與在腔305中間之流體705之間的摩擦導致能量損失(即，一阻抗分量)。因此，取代理想的聲慣量(即，一電感器)，該實際聲慣量包含一阻抗R_V, 如圖7B所示。該阻抗R_V分量係藉由以下公式決定：

其中：μ=本體黏度

ρ=密度

圖8A展示具一輸入端P1及一輸出端P2之一腔305。圖8B藉由使用類比電單位而表示腔305。該電分量之值係藉由腔305之實體尺寸、操作頻率、及腔305內聲學流體(例如，空氣)之參數而決定，且該等值在腔305內同時(但可分開)發生。

因此，圖2之測試腔305可表示為圖9中展示之一類比電子電路，其中腔305之部分具有對於不同頻率之聲壓之實際聲順及實際慣量。

圖10展示隨著腔305之直徑減小對於各種頻率之實際聲順之電感分量。圖11展示隨著腔305之直徑減小對於各種頻率之實際慣量之電容分量。如可在兩圖表中所見，隨著腔305之直徑減小，電感及電容分量減小。圖12及13展示隨著腔305之直徑減小，電阻分量與電感及電容分量之關係的結果變化。如圖12中所示，電阻分量R_V具有比電感分量多達五個次方之較大影響(有效地消除電感分量)。類似地，如圖13所示，電阻分量R_K具有比電容分量多達十個次方之較大影響(有效地消除電容分量)。

認識到，僅當存在以位能及動能之形式儲存能量之分量時會發生共振，吾人基於最高要求頻率減小管子之尺寸，使得電容及電感分量相對於電阻分量大幅地減小(即，有效地僅保留電阻分量)。因此，藉由適當地調整腔305大小，腔305變為如由圖14中展示之類比電路表示之一聲阻。參考麥克風315可正確定位在其中電感器及電容器將在聲學電路中之位置處。未留下共振器件，且沿著聲學系統之任何部分 之壓力僅取決於一頻率獨立值。

本發明之各種特徵及優勢在下文申請專利範圍中陳述。

300‧‧‧麥克風測試裝置

305‧‧‧測試腔

310‧‧‧聲源

315‧‧‧參考麥克風

320‧‧‧被測器件

325‧‧‧聲阻

Claims (18)

1. 一種麥克風測試裝置，該測試裝置包括：一測試腔；一聲源，其經組態以在該測試腔中產生聲波；一參考麥克風，其經定位以接收該測試腔中之該等聲波；及一聲阻，其與該測試腔形成一相連空間；其中該聲阻經調整大小以對於一固定高頻率極限阻止該等聲波之共振及回波。
2. 如請求項1之測試裝置，其中該測試腔被調整大小為儘可能小以含有一DUT及容納該參考麥克風及該聲源。
3. 如請求項1之測試裝置，其中該相連空間含有一流體。
4. 如請求項3之測試裝置，其中該流體為空氣。
5. 如請求項1之測試裝置，其中該聲阻具有包含一電阻分量及一電容分量之一聲順，該電容分量係一位能儲存，其中該聲阻經調整大小使得該聲順電阻分量對於該最大頻率極限超過該聲順電容分量若干次方。
6. 如請求項5之測試裝置，其中該電容分量係藉由以下等式定義： 其中：V=有效體積[m3]γ=cp/cv比熱之比p _m =P _o環境壓力[Pa]
7. 如請求項5之測試裝置，其中該聲順電阻分量係藉由以下等式定義： 其中： Π=壁之潮濕表面面積(横截面面積X長度)ω=角頻率=熱穿透深度K=材料之導熱係數Cp=定壓比熱Vm=莫耳體積γ=cp/cv比熱之比p _m =P _o環境壓力[Pa]
8. 如請求項1之測試裝置，其中該聲阻具有包含一電阻分量及一電感分量之一聲慣量，該電感分量為一動能儲存，其中該聲阻經調整大小使得該聲慣量電阻分量對於該最大頻率極限超過該聲慣量電感分量若干次方。
9. 如請求項8之測試裝置，其中該電感分量係藉由以下等式定義： 其中：ρ=密度△x=有效長度A=橫截面面積
10. 如請求項8之測試裝置，其中該聲慣量電阻分量係藉由以下等式定義： 其中：μ=本體黏度 ρ=密度△x=有效長度A=橫截面面積Π=壁之潮濕表面面積(横截面面積X長度)ω=角頻率
11. 如請求項5之測試裝置，其中該聲阻具有包含一電阻分量及一電感分量之一聲慣量，該電感分量係一動能儲存，其中該聲阻經 調整大小使得該聲慣量電阻分量對於該最大頻率極限超過該聲慣量電感分量若干次方。
12. 如請求項1之測試裝置，其中由該DUT及該參考麥克風接收之聲壓相同。
13. 如請求項1之測試裝置，其中該聲阻係一管子。
14. 如請求項13之測試裝置，其中該管子係圓柱形。
15. 如請求項1之測試裝置，其中該測試腔係一立方體。
16. 如請求項1之測試裝置，其中該測試腔係一長方體。
17. 如請求項1之測試裝置，其中該測試腔係一管子。
18. 如請求項17之測試裝置，其中該測試腔具有比該聲阻之一直徑大之一直徑。