Прибор для измерения звука своими руками

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Измеритель уровня шума звукового оборудования — самодельный шумомер

Пока в мастерской не появился этот измеритель уровня шума, при настройке УНЧ просто приставлял ухо к динамику. Любые определения шумов были по принципу — шумит или не шумит. Такого типа прибор полностью меняет подход к настройке аппаратуры аудио, особенно высокого качества. Ведь само по себе использование дорогостоящего супер малошумящего операционного усилителя ещё не гарантирует низких шумов на выходе АС.

Измеритель служит для измерения собственных шумов усилителей мощности, предусилителей или преобразователей ЦАП, а также блоков питания. Является незаменимым приспособлением любого конструктора аудиотехники. Благодаря ему упрощается подбор значений радиоэлементов, усиления, укладки провода или установки трансформаторов блоков питания.

Как работает шумомер

Фактически это микровольтметр переменного напряжения, который характеризуется возможностью изменения ширины полосы измерений. Принцип действия довольно прост. Очень низкое напряжение шума необходимо многократно усилить, чтобы позволить его измерить обычным вольтметром. Чтобы измерить очень низкое напряжение шума, порядка 1 мкВ, необходимо применить усиление порядка 100 000 раз, а сам усилитель должен обладать очень низкими собственными шумами.

Схемы прибора

Далее мы видим блок-схему прибора и две принципиальные схемы. Макет был разбит на две платы, плату усилителя и фильтров с выпрямителем. Усилитель состоит из нескольких ступеней усиления. Первый из них имеет наибольшее усиление (100x) и это он отвечает за шум всей системы. Поэтому он состоит из четырех пар параллельно соединенных транзисторов. Параллельное подключение уменьшает шум до большой степени. Каждое удвоение количества транзисторов снижает шум на 3 дб. Разумно поставить четыре пары.

Конечно же подбор транзисторов — это тоже довольно важный этап. При настройке проверялись разные транзисторы. Сначала знаменитые BC550, которые оказались довольно посредственные. Они имеют более низкий шум чем стандартные BC547, но обычные высоковольтные BC546 превзошли их на голову. Конечно, специализированные малошумящие транзисторы показали бы здесь свое преимущество. В любом случае в этой системе достигается минимум шумов на одной, максимум двух парах. Увеличение их количества не приносило уже никакой выгоды, а только убытки в виде потраченных денег. Поэтому восемь штук популярных BC546 с ОУ NE5532 оказалось самым дешевым и лучшим решением.

Еще три каскада усиливают сигнал в 10 раз каждая, заодно переключая диапазоны измерений.

На второй схеме блок переключаемых фильтров, выпрямитель и регулируемый усилитель для наушников. Фильтры — это типичные ступени с фиксированной полосой передачи снизу и сверху. Фильтр „кривая А” — это фильтр с так называемой обратной характеристикой человеческого уха. Используется только в измерении шума звукового оборудования. Не имея в распоряжении подробные данные этого типа фильтра был разработан свой.

Еще один блок — это выпрямитель среднего значения с усилением, установленным так, чтобы выходное напряжение давало результат эффективного значения. Для настройки нуля и симметрии служат два переменника. Также есть еще потенциометр и усилитель для наушников. Все питается специальным малошумящим блоком питания. Применены две ступени стабилизации напряжения, это необходимо, чтобы пульсации питания были как можно ниже.

Стабилизаторы предварительные 7815/7915 и конечные LM317/337. Сам блок питания был помещен так, чтобы магнитное поле трансформатора как можно меньше проникало на чувствительный вход прибора. Вход и первый каскад усиления желательн экранировать. При измерениях необходимо позаботиться о том, чтобы возле входа не появились какие-то источники помех.

Точность измерения зависит от калибровки измерителя чистыми синусоидальными сигналами. Пригодятся здесь прецизионные резисторы, хотя в любительском приборе и 5 % тоже достаточно. Тем более, что сам вольтметр аналоговый и имеет класс точности 2,5.

Давайте прикинем соотношение сигнал/шум для, например, какого-то предусилителя. Мы знаем, что его фактический уровень шума на выходе 20uV, а номинальное выходное напряжение 2 В, рассчитываем:

• 2 В / 0,00002 В = 100.000 и далее 100.000 LOG * 20 = 100 дб.

Теперь для ошибки 5%, то есть нашего прибора 19uV к 21uV

• 2В/ 0,000021 = 95238,1 и далее LOG*20 =99,58 дб
• 2В / 0,000019 = 105263,2 и далее LOG * 20 = 100,44 дб.

Оба результата после округления до целых децибел дадут это же значение, т. е. 100 дб интервала сигнал шума. Таким образом, 5% точности, в данном случае, — это достаточно.

Использование измерителя

Управление интуитивно понятно. Подключаем измерительный вход прибора к выходу исследуемого аудиотракта или выходного напряжения блока питания. Переключая диапазоны измерения ищем средний уровень по шкале, выбираем предел измерений.

При подключении наушников можем услышать что за шум/помехи создает измеряемый аппарат. Ступени усиления могут перегрузить сигналами за пределами диапазона измерения (прибор не имеет детектора клиппинга). Кроме того, не устанавливайте чувствительность так, чтобы индикатор отклонялся на максимум.

Источник

Измерение уровня звука (шума) в децибелах с помощью Arduino и микрофона

Так называемое шумовое загрязнение становится все более актуальной проблемой в современном обществе в связи со все возрастающей плотностью населения. Обычное человеческое ухо способно воспринимать звуки с уровнем от 0 до 140 дБ. Громкость (уровень) звука обычно измеряют в децибелах (дБ). Современной промышленостью изготавливаются разнообразные измерители громкости звука, но они в большинстве случаев достаточно дороги. Поэтому в данной статье мы рассмотрим создание простого измерителя уровня звука (шума) на основе платы Arduino и обычного электретного конденсаторного микрофона. Измеряемый уровень звука мы будем показывать в децибелах (дБ).

В схеме нашего измерителя уровня звука мы также будем использовать усилитель, с выхода которого усиленный сигнал будет подаваться в плату Arduino, в которой мы будем использовать регрессионный метод для расчета уровня звука в децибелах. Чтобы проверить корректность работы нашего измерителя звука мы будем использовать android приложение, которое называется “Sound Meter”. Отметим, что целью нашего проекта не является абсолютно точное измерение громкости звука (мы ведь используем самые дешевые компоненты в нашем проекте), а получение значений, максимально близких к истинным.

Необходимые компоненты

1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
2. Конденсаторный микрофон (купить на AliExpress).
3. Микросхема LM386 (купить на AliExpress).
4. Резисторы (купить на AliExpress) и конденсаторы.

Схема проекта

Схема измерителя уровня звука на основе платы Arduino и микрофона представлена на следующем рисунке.

В схеме мы используем усилитель звуковых сигналов на основе микросхемы LM386 чтобы усиливать сигнал с выхода конденсаторного микрофона. С выхода усилителя мы подаем сигнал на аналоговый контакт платы Arduino.

Коэффициент усиления используемого нами операционного усилителя LM386 может составлять от 20 до 200 в зависимости от номинала конденсатора или резистора, подключенного к его контактам 1 и 8. Если их не использовать совсем, то коэффициент усиления будет составлять минимальную величину – 20. Мы в нашем проекте использовали максимальный коэффициент усиления данного усилителя, поэтому мы включили конденсатор емкостью 10 мкФ между контактами 1 и 8 – учтите, что эти контакты чувствительны к полярности, поэтому отрицательный вывод конденсатора должен быть подключен к контакту 8 усилителя. Вся схема усилителя запитывается от контакта 5V платы Arduino.

Конденсатор C2 используется для фильтрации шумов, поступающих с микрофона. Когда микрофон улавливает какие либо звуки, на его выходе появляется сигнал переменного тока. Но в составе этого сигнала переменного тока может присутствовать шум с некоторым постоянным уровнем (постоянная составляющая сигнала), этот шум и отфильтровывается с помощью данного конденсатора. Аналогично этому конденсатор C3 на выходе усилителя используется для фильтрации постоянного уровня шумов, которые могли появиться в процесс усиления сигнала (добавиться к нему в процессе усиления).

Внешний вид собранной конструкции проекта показан на следующем рисунке.

Использование регрессионного метода для расчета уровня звука в децибелах

Когда аппаратная часть нашего проекта будет готова, мы можем подключить плату Arduino к компьютеру и загрузить в нее код примера “Analog Read Serial” из Arduino IDE чтобы проверить действительно ли мы получаем корректные значения АЦП (аналого-цифрового преобразования) с нашего микрофона. Но нам эти значения необходимо преобразовать в децибелы (дБ).

В отличие, к примеру, от задач измерения температуры и влажности, измерение уровня звука в децибелах не является линейной задачей поскольку значения уровня звука в децибелах имеют нелинейную зависимость от имеющихся у нас значений АЦП с выхода аналогового контакта Arduino. Существует несколько способов решения данной задачи, но мы выбрали один из самых простых.

Поскольку мы не преследуем цели получения максимальной точности результатов мы решили использовать метод непосредственной калибровки значений АЦП с помощью значений децибелов. Для этого в идеале необходимо иметь профессиональный измеритель уровня шума (SPL meter), но вряд ли у кого из начинающих радиолюбителей он есть, поэтому мы будем использовать для этой цели обычное android приложение под названием “ Sound meter ”, которое можно бесплатно скачать из play store. Существует множество других аналогичных приложений – вы можете использовать любое из них. Все эти приложения имеют примерно одинаковый принцип действия – они используют встроенный в смартфон микрофон для измерения уровня шума, который они затем отображают на экране смартфона. Они не отличаются высоким уровнем точности, но для решения нашей задачи они вполне подойдут.

Скачайте приложение “Sound meter”, после его установки и запуска вы на экране смартфона увидите примерно следующую картину:

Как мы уже говорили, зависимость между имеющимися у нас значениями с выхода АЦП и требуемыми значениями уровня звука в децибелах нелинейная, поэтому нам необходимо сравнить эти значения на различных интервалах. Запишите несколько значений с выхода АЦП и соответствующие им значения в децибелах с вашего смартфона. Мы для примера взяли/сравнили 10 значений и у нас получились цифры, приведенные в следующей таблице (у вас могут получиться немного другие цифры).

Откроем страницу Excel и запишем туда эти значения. В Excel нам необходимо найти значения коэффициентов регрессии для записанных значений. Для облегчения этой задачи давайте сначала построим графики этих значений.

Как вы можете видеть из представленных графиков, значения в дБ не имеют линейной зависимости от значений АЦП. Это означает что вы не можете использовать простой коэффициент, чтобы с его помощью пересчитать значения АЦП в значения в дБ. В этом случае мы должны использовать метод линейной регрессии. Вкратце суть этого метода состоит в том, чтобы аппроксимировать синюю линию на приведенном графике максимально близкой к ней прямой линией и получить уравнение этой прямой линии. Это позволит нам достаточно просто находить для каждого значения АЦП эквивалентное ему значение в децибелах.

В Excel у нас есть плагин для анализа данных, который может автоматически рассчитать нам необходимое уравнение регрессии. Если вы не знаете как это делать, то вы легко можете найти эту информацию в сети интернет – это нецелесообразно включать в текст данной статьи поскольку этой информации в сети и так слишком много. Когда вы рассчитаете уравнение регрессии, Excel нам выдаст ряд данных, показанных на следующих рисунках. Нас будут интересовать данные, обведенные красной линией на представленных рисунках.

На основании этих чисел мы можем записать следующее уравнение:

ADC = (11.003* dB) – 83.2073

В этом уравнении ADC обозначает данные АЦП.

Из этого уравнения мы можем получить нужное нам выражение для расчета децибел на основании данных АЦП:

dB = (ADC+83.2073) / 11.003

У вас уравнение может немного отличаться от нашего если вы будете использовать другие калибровочные данные, отличные от наших. Но общий принцип нахождения уравнения регрессии останется неизменным.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

В программе мы будем считывать значения АЦП с контакта A0 и преобразовывать их в децибелы с помощью уравнения, которое мы получили в предыдущем пункте статьи. Это значение децибел, как мы уже говорили, не будет абсолютно точным, но оно будет достаточно близким к своему истинному значению.

Источник

Светодиодный шумомер

В современном мире нас постоянно окружает множество звуков, особенно это актуально для тех людей, кто живёт в крупных городах. Если на минуточку остановиться и прислушаться, то в любом месте нас окружают звуки машин с улицы, чужие разговоры, шумы ветра, музыка, которая доносится непонятно откуда. Весь этот непрерывный шумовой фон не лучшим образом сказывается на здоровье и самочувствии людей, ведь порой он даже не даёт полноценно выспаться, не говоря уже о простом раздражающем действии. Существуют нормы уровня шума, например, на рабочем месте, которые устанавливаются в обязательном порядке и должны исполняться на каждом предприятии. Для того, чтобы точно замерить уровень шума в данный конкретный момент, разработаны специальные приборы называемые шумомерами. Их принцип работы достаточно прост — любой звук улавливается микрофоном, затем усиливается до необходимой амплитуде. После этого эта амплитуда, усиленная с микрофона, анализируется специальной откалиброванной схемой, которая показывается громкость звука в децибелах. Такие приборы достаточно дорого стоят и слишком сложны, чтобы собрать их дома из доступных компонентов, но всё-таки собственный шумомер возможно собрать дома рядовому радиолюбителю, путь он и не сравнится по своему функционалу с точными измерительными приборами. Самодельный шумомер также будет содержать в себе микрофон усилитель, но вот вместо того, чтобы показывать уровень звука в децибелах, он будет зажигать светодиодный столбик, высота которого напрямую будет зависеть от громкости звука, улавливаемого микрофоном. Конечно, особой практической ценности такой прибор не несёт, но зато он может сталь весьма занятной игрушкой для ребёнка. Кроме того, схему такого шумомера можно использовать, например, в роли светомузыкальной установки в составе с усилителем.

В начале схемы под обозначением MIC можно увидеть сам микрофон — особо важную часть схемы. Здесь можно применить любой электретный микрофон, они имеют компактные размеры и небольшую стоимость, около 20-30 рублей. Каждый электретный микрофон имеет два вывода — плюсовой и минусовой, важно не перепутать цоколёвку. Узнать, какой вывод является плюсом, а какой минусом на самом микрофоне достаточно просто, если воспользоваться прозвонкой на мультиметре — минусовой вывод будет накоротко соединяться с корпусом микрофона. Ролью микрофона является преобразование механических колебаний воздуха в колебания напряжения, с этим он безусловно справится. Но электрический сигнал на выходе микрофона очень слаб, а потому его трудно анализировать. Для усиления сигнала служит микросхема DA1 — усилитель низкой частоты TDA2822M. Эту микросхему часто используют для усиления звука в компьютерных колонках, данная микросхема имеет удобный DIP корпус и стоит недорого в магазинах радиодеталей. Резисторы и конденсаторы в обвязке микросхемы нужно для правильной её работы, они имеют следующие номиналы:

R1: 10-15 кОм.
R2: 100-150 кОм.
R3: 10-15 кОм.
R4-R7: 1-1,5 кОм.
R5: 680-1,5 кОм.
С1: электролитический 1-4,7 мкФ, не обязателен.
С2: электролитический 1-4,7 мкФ.
С3: плёночный либо керамический 10 нФ.
С4, С8, С9: электролитический 10 мкФ.
С5, С6: плёночный либо керамический 100 нФ.
С7: электролитический 47-100 мкФ.
VD1: любой кремниевый, например 1N4148 или 1N4007.

При использовании шумомера может возникнуть такая проблема, что он не улавливает тихие звуки, особенно это актуально тогда, когда сам по себе электретный микрофон не обладает большой чувствительностью. Эту проблему запросто поможет решить усилитель для микрофона, схема которого представлена ниже.

Электретный микрофон будет подключаться не к самой схеме, а к схеме усилителя и уже она, в свою очередь, к схеме шумомера. Встроить её достаточно просто: контакт, обозначенный «+» подключается к плюсу первого гальванического элемента (GB1), это плюс питания. «-«, соответственно, подключается к минусу. А вот коллектор транзистора, то есть выход усилителя, подключается уже на место микрофона в схеме шумомера. При этом резистор R1 оттуда нужно удалить, то если сигнал будет подаваться только лишь на плюсовую обкладку конденсатора С2. Для схемы усилителя потребуется ещё один маломощный транзистор NPN структуры, подойдут те же самые КТ315, КТ3102, BC547. Номиналы резисторов и конденсаторов:

R1: 3-15 кОм.
R2: 200-300 кОм.
R3: 3-10 кОм.
С1: 100-500 нФ.
С2: 47-100 пФ.

Схема собирается на печатной плате, выполнить которую можно методом ЛУТ, либо просто нарисовать на текстолите маркером, а затем вытравить плату. Рисунок дорожек прилагается в архиве в конце статьи, файл в формате .lay рекомендуется открывать в программе Sprint Layout 3-й версии. Готовый шумомер можно поместить в подходящий корпус.

Источник