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Microfoni Brüel & Kjær: cinque decadi di eccellenza
by Niels Bøgholm, Transducer Product Manager 19 Apr 2010
Quello che potete vedere acquistando un microfono è un piccolo pezzo metallico ma non lasciatevi ingannare; dietro ogni unità ci sono centinaia di processi, una particolare attenzione ed una specifica conoscenza.
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Technology
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Prima dell'inizio
Potrebbe essere una sorpresa per molti sapere che fino a cinque decadi fa la Brüel & Kjær non aveva iniziato la costruzione di miscrofoni. Già nel 1943 Per V. Brüel aveva progettato il primo trasduttore Brüel & Kjær che era un accelerometro denominato più tardi 4303. In quell'epoca era stato deciso che laprogettazione e la realizzazione di microfoni fosse troppo complicata per una piccola azienda quale la Brüel & Kjær e perciò la Brüel & Kjær iniziò a rivendere i microfoni prodotti dall'azienda danese Ortofon.
Nel 1950 la Ortofon introdusse il microfono a condensatore da 36 mm di diametro che fu impiegato con successo dalla Brüel & Kjær; nel 1950 si fece strada la coscienza di dover sviluppare il proprio microfono di misura.
Fin dall'inizio fu evidente che un microfono polarizzato a condensatore fosse la scelta corretta; il principio era stato inventato da E. C. Wente fin dal 1916 e per quel tempo rappresentava una vera svolta in quanto a campo di frequenza e qualità di registrazione.
Le limitazioni pratiche, quali la necessità di 200 V di polarizzazione e l'elevata impedenza d'ingresso dell'amplificatore, ne hanno limitato l'impiego per molti anni.
L'inizio | |
Il primo microfono progettato e realizzato dalla Brüel & Kjær sono stati il modello 4131 e 4132. Erano definiti microfoni da 1 pollice nonostante il dimetro reale fosse solo 0,936 pollici (23,7 mm). Sono stati sviluppati da un giovane e brillante ingegnere, Mr Gunnar Rasmussen, in cooperazione con i soci fondatori della Brüel & Kjær. Mr Viggo Kjær definì uno degli obiettivi del progetto: il nuovo microfono dovere essere conforme alla norma American Standards Association: Z 24.4-1949 (Laboratory Standard Primary Microphones).
I microfoni 4131 e 4132 erano molto più semplici ed eleganti nella realizzazione meccanica e avevano ulteriori migliorie rispetto allo stato dell’arte di allora il modello W.E. 640 AA (da cui è stata ereditata la strana dimensione di 1 pollice).
Fu presto evidente che un microfono da ½ pollice sarebbe stato preferibile in molte applicazioni e sono stati realizzati i microfoni 4133 (campo libero) e 4134 (campo diffuso). Fu, inoltre, evidente che per assicurare l’integrità della misura e la elevata qualità del prodotto fosse necessario un accurato metodo di calibrazione. Il sistema di calibrazione microfonica 4441 (calibrazione a reciprocità) e l’attuatore elettrostatico UA 0023 sono stati diffusi unitamente ai due microfoni. Da allora in poi la Brüel & Kjær è stata sempre impegnata nell’attività di calibrazione e nelle commissioni di standardizzazione. In ogni caso il UA 0023 ha dato prova di essere un vero sopravvissuto. Oggi, a più di 50 anni dalla sua introduzione, è ancora disponibile tra i nostri prodotti. Questo può essere interpretato come la prova sia della sua intrinseca qualità sia che I nostri sistemi di calibrazione e di correzione per campo libero per lo stesso modello di microfono potrebbero restare inalterati per più di cinque decadi.
Un altro fattore interessante ed importante era l’attenzione per il dettaglio e per il progetto che è ed è sempre stata la caratteristica della Brüel & Kjær. I precedenti preamplificatori erano ingombranti e, frequentemente, con un diametro superiore a quello del microfono disturbando, perciò, il campo acustico. Il preamplificatore da 1 pollice è stato progettato non solo per inserirsi direttamente sul microfono ma anche per ridurre al minimo il disturbo del campo sonoro. Questa presa di coscienza dell’importanza e dell’attenzione del dettaglio si possono tuttora osservare negli attuali prodotti Brüel & Kjær come, ad esempio, i fonometri palmari 2250 e 2270.
L'inizio della leggenda
Questi nuovi microfoni Brüel & Kjær avevano un'accuratezza e una stabilità che erain una classe a sé stante e non c'è dubbio che questo ha dato inizio alla posizione di leader nel campo dei microfoni di misura, posizione che si è via via rafforzata grazie all'accresciuta varietà di prodotti disponibili a catalogo e all'introduzione di nuovi membri nella famiglia dei microfoni Brüel & Kjær.
Rumore in ambiente esterno | |
Dal 1963 abbiamo messo a disposizione microfoni idonei alle misure in ambiente esterno come, ad esempio, il monitoraggio acustico aeroportuale. Questo è un settore specifico di attività in continuo sviluppo e consolidato con la recente acquisizione della Lochard australiana e il lancio di Noise Sentinel. Questo prodotto si differenzia dalle soluzioni hardware/software classiche in quanto quello che si acquista è il solo risultato di misura; noi provvediamo a gestire e manutenere tutto il sistema di misura. Ma anche con questa nuova soluzione il pilastro dell’intero sistema di misura è il trasduttore di alta qualità.
Superare i limiti Il campo acustico è spesso definito da una frequenza superiore di 20 kHz e da un livello massimo di pressione sonora (Lps) di 140dB. Lo studio dell’acustica ha presto chiaramente rivelato che alcune applicazioni come le prove su modelli in scala, le misure aerodinamiche e la misura del rumore impulsivo richiedono microfoni che superano i limiti dell’udibile. La soluzione è stato il microfono da 1/4 e da 1/8 di pollice di diametro. Il microfono 4138 da 1/8 di pollice introdotto nel 1967 è tuttora disponibile a catalogo.
Non solo nell'Aria
Si pensa comunemente che le onde sonore si propagano in aria ma si propagano anche nell'acqua e il settore dell'acustica subacquea sta assumendo una crescente importanza. La Brüel & Kjær ha iniziato ad interessarsi di questo settore nel 1972 e ha sviluppato il primo idrofono modello 8100 traendo profitto della propria conoscenza sia nel campo dell'acustica sia in quello dei trasduttori piezoelettrici.
Oggigiorno la Brüel & Kjær dispone di un catena di misura completa: idrofoni, preamplificatori e cavi sommergibili e di un idoneo sistema di calibrazione degli idrofoni.
Si! | |
“Si!”: sarebbe stato interessante osservare la reazione di chi ci chiedeva ufficialmente di progettare un sostituto del Microfono a Norma da Laboratorio Western Electric W.E. 640A. Questo particolare microfono, il modello 4160, presenta una cavità frontale di elevata precisione idonea per la calibrazione di reciprocità in accoppiatori. Dieci anni più tardi è stato sviluppato un microfono simile ma da ½ pollice, il modello 4180, e da questo momento la calibrazione primaria di microfoni di precisione è il sinonimo di Brüel & Kjær.
Meno di niente
La soglia dell’udibile è definita come la pressione dinamica di 20 μPa corrispondente a 0 dB. Spesso ci capita di dover effettuare misure sotto questa soglia e nel 1984 abbiamo sviluppato un sistema per “misure a bassissimo livello sonoro” che consiste di un microfono 4179 con preamplificatore associato 2660. Questo connubio tra microfono da 1 pollice, ottimizzato per livelli sonori molto bassi, e un preamplificatore speciale ha la possibilità di misurare a partire da - 5,5 dBA un limite che tuttora non è stato superato.
Microfoni prepolarizzati | |
La necessità dei 200 V di polarizzazione dei microfoni di misura è spesso fonte di frustrazione nello sviluppo di strumentazione portatile e la presenza di questa elevata tensione può essere pericolosa in ambienti umidi. La soluzione è di inserire microfoni prepolarizzati, anche chiamati microfoni ad elettrete, nella catena di misura. Fin dal 1962 abbiamo avuto un prototipo di microfono ad elettrete ma a causa della scarsa stabilità non era indicato come microfono di precisione.
Ciononostante nella metà degli anni ’70 la Brüel & Kjær ha posto in essere un team speciale, preseduto dal leggendario Erling Frederiksen, per avviare una serie di prove con l’elettrete; il lavoro è sfociato nel 1979 con la produzione dei microfoni prepolarizzati 4155 e 4175. Questi microfoni hanno un diaframma metallico e, quindi, associano il beneficio della prepolarizzazione (assenza della tensione esterna di polarizzazione) con l’eccezionale stabilità dell’armatura metallica del microfono.
I principi e la conoscenza ottenuti con questo progetto speciale sono stati ulteriormente impiegati per lo sviluppo dei microfoni della serie Falcon nel 1993. Questa famiglia di microfoni è tuttora la spina dorsale dei microfoni Brüel & Kjær caratterizzata dai modelli 4189, 4190 e 4191. Questi microfoni impiegano un’armatura in acciaio inossidabile che migliora in assoluto la vita del microfono stesso. Fino alla realizzazione dei microfoni Falcon usavamo il Nichel come materiale costituente l’armatura con tutti i problemi ben noti di utilizzo in ambienti molto umidi.
Soluzione più intelligente| Oggi i trasduttori TEDS sono comuni ma 20 anni fa erano un sogno. |
La disponibilità di microfoni a condensatore prepolarizzati fu una svolta pergli strumenti portatili è aprì la strada all'impiego della tecnica Costant Current Line Drive (DeltaTron) con la quale si è sostituito il costoso cavo microfonico a 7 conduttori col più economico cavo coassiale in grado di gestire sia il segnale che l'alimentazione del preamplificatore sullo stesso conduttore.
Molto più tardi il termine "trasduttore intelligente" è stato impiegato per descrivere i trasduttori TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) che sonoconformi allo standard IEEE 1451.4; è inutile affermare che il lavoro della commissione di standardizzazione è stato fortemente supportato dalla Brüel & Kjær rappresentata tra gli altri da Torben R. Licht. Oggigiornoi trasduttori TEDS sono comuni ma 20anni fa erano un sogno.
Intensità sonora L'identificazione di sorgenti sonore in ambiente rumoroso fu a lungo considerato impossibile. L'avvento della tecnica intensimetrica ha risolto questa sfida una volta e per sempre ma per ottenere risulati pratici affidabili erano necessari microfoni con un elevato accoppiamento di fase.
Microfoni con una qualità ed una stabilità a lungo termine ben documentata erano già parte del programma della Brüel & Kjær così fu un piccolo passo in avanti sviluppare la sonda intensimetrica 3519 necessaria per il primo analizzatore intensimetrico a livello mondiale, modello 3360, introdotto sul mercato nel1982.
Fotografia acustica? Perchè misurare solo il rumore perchè non fotografare invece il campo sonoro? Questa doveva essere stata l'idea originaria che ha portato alla nascita del primo sistema di olografia acustica introdotto nel 1986. Questa applicazione richiede analizzatori multicanale e, quindi, microfoni con particolari caratteristiche di costo/beneficio. Un moderno sistema di beamforming può richiedere dozzine di microfoni.
Sottile come una sottiletta | | Per ingrandire | | Microfono di superficie montato sulla portiera di un'automobile |
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Sottile come una sottiletta ma molto più piccolo fu il primo microfono di superficie, modello 4948, lanciato nel 2003. Il microfono è stato sviluppato su specifica richiesta dell’Airbus ed è stato estensivamente impiegato per la progettazione dell’Airbus A 380. Con un’altezza complessiva di soli 2,5 mm (0,1”) è tuttora un prodotto unico nel mondo dell’acustica e delle vibrazioni.
Il modello 4949 è una variante del microfono di superficie ottimizzata per il settore automobilistico. Questo microfono grazie alla sua eccezionale forma e qualità ha trovato numerosi applicazioni impensate al tempo della sua progettazione. Il microfono di superficie ha introdotto un’altra tecnologia della Brüel & Kjær: “completamente in Titanio”.
L’uso del titanio come materiale di costruzione per microfoni di precisione ha reso possibile realizzare altri prodotti unici tra i quali il modello 4955 un microfono da ½ pollice per bassissimi livelli sonori con caratteristiche uniche nel suo genere. Il 4955 non ha solo le stesse capacità del 4179 (tuttora disponibile) ma è molto più intelligente con la sua linea sottile dovuta all’accoppiamento di un microfono da1/2 pollice con un preamplificatore da 1/2 pollice entrambi realizzati completamente in titanio. Il titanio porta ulteriori benefici quali l’insensibilità ai campi magnetici, la massa molto ridotta del diaframma e l’estrema resistenza alla corrosione.
Campo sonoro, ma quale campo sonoro? | | Per ingrandire | | Il primo microfono multi-field a livello mondiale, il modello 4961 |
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Campo sonoro, ma quale Campo sonoro? … e quale microfono bisogna usare?
Ci sono molte domande che i Clienti si pongono e spesso la conseguenza di scegliere il microfono sbagliato non è così seria; ma non sempre è così. La conseguenza della scelta sbagliata del microfono diventa via via più seria quanto lo spettro del segnale misurato si sposta verso il dominio delle alte frequenze.
Nel campo automobilistico l’uso di materiali isolanti di bassa massa e di motori più piccoli porta lo spettro dell’emissione sonora a spostarsi verso lealte frequenze. Un’ulteriore sfida è la presenza di sorgenti multiple o non stazionarie in un ambiente acusticamente non conosciuto.
Al fine di raccogliere queste sfide e risolvere il dilemma del microfono”giusto” o “sbagliato” abbiamo introdotto nel 2009 un concetto completamente nuovo denominato “il microfono multi-field”.Il primo microfono multi-field a livello mondiale è il modello 4961; grazie alle sue dimensioni inferiori e al progetto intelligente può sostituire un microfono convenzionale da 1/2 pollice senza particolari errori indipendentemente dalla natura del campo sonoro. Dietro il palcoscenico | |
Per decenni abbiamo saputo che il volume dietro il diaframma è cruciale per la qualità di un microfono specialmente per la sua stabilità a lungo termine e per le caratteristiche acustiche
Polvere e altre particelle poste tra l’armatura posteriore ed il diaframma possono causare dispersione e archi voltaici provocando l’innalzamento del rumore elettrico e, nel caso dei microfoni ad elettrete, alla perdita di sensibilità.
Per questa ragione tutti i nostri microfoni sono assemblati all’internodi una camera bianca. Alcuni processi particolarmente critici sono svolti su una postazione dotata di flusso laminare per la quale la contaminazione è, secondo la norma ISO risulta inferiore a 1, 10 o meno di 100nm particelle per metro cubico.
Il numero di componenti di un microfono è generalmente modesto, tipicamente 10, ma il numero di processi produttivi quali la pulitura, la lucidatura, la carica, l’invecchiamento artificiale e la prova di collaudo possono essere molto superiori. Tutto questa attività porta alla fine alla stesura del certificato di calibrazione individuale redatto secondo le normative internazionali più severe.
Molti microfoni Brüel & Kjær sono distribuiti con un mini CD individuale che contiene dati specifici di calibrazione e di correzione che possono essere impiegati con la famiglia di analizzatori PULSE per l’equalizzazione in tempo reale della risposta attraverso il principio Req-X. Proteggete il vostro lavoro
Senza la conoscenza dei diversi processi e i molti anni di ricerca che coinvolge la produzione di microfoni di misura professionali il prezzo di un microfonodi elevata qualità potrebbe sembrare eccessivo. Giudicando se il prezzo è alto o basso considerate anche il valore del vostro lavoro. Cosa comporta una misura errata rispetto il prodotto o il servizio che state offrendo al vostro Cliente?
Il costodi una misura all'interno di una galleria del vento, ilcosto di una prova di volo, o la conseguenza di un ritardo legato alle misure non riproducibili assieme al valore aggiunto del supporto dei vostri esperti rende il sovrapprezzo del microfono di misura della Brüel & Kjær uno tra i migliori investimenti che potrete mai fare.
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