Kjøpe ny målemic? Nei, DIY!

[Armand]

Jeg har lenge ønsket meg en god kalibrert målemikrofon. Det er klart jeg kunne kjøpt en, men det er jo ikke noe gøy. En slags dokumentasjon må jo ethvert prosjekt ha, og da legger jeg den like godt her til for inspirasjon til andre DIY'ere.
Jeg har en kompis som har en kalibrert MP-1r som jeg kan kalibrere min i mot. Målet var å lage en som var minst like god og helst litt bedre .
Jeg ønsket meg også at den kunne gå på oppladbare batteri da det er uklokt å tjuvlåne alle husets røykvarslerbatteri når man går tom midt i en måle-økt. Det siste kravet var at den skulle indikere 94dB SPL med en lysdiode slik at man får kalibrert riktig lydtrykk. Selve mikrofon-elementet er et Panasonic WM-61A som har blitt moddet etter Linkwitz-metoden.

Forforsterkeren er delt inn i tre hoveddeler.
1. Selve forsterkeren
2. 94dB SPL indikator
3. Batteribeskytter

Del1:
Som forsterker-opamp valgte jeg MAX427 da denne har svært gode støy-egenskaper. Den brukes i ikke-inverterende kobling og forsterkningen ble satt til 22,5x (1+R1/R2). Mikrofonen har en følsomhet på 15mV ved 94dB SPL og forsterkeren vil da gi 15mV*22,5= 337mV RMS. Lydkortet mitt (FF800) klarer 16,8dBV (6,9V RMS) på inngangene og jeg har da muligheten til å måle lydtrykk opp til: 94dB + 20*log(6,9/0,337) = 120dB SPL.
R1 ble montert direkte fra bein til bein på oversiden av opampen for å få så kort signalvei som mulig. Kondensatoren på inngangen er en polyesterkondensator på 3,3uF (C3) som gir -3dB ved 5Hz med 9,93k(R3) til jord. Det snodige med Linkwitz-modden er at man skal kjøre ut en negativ spenning til mikrofonen. Derfor er det koblet 9,93k til negativ spenning (R4). 180 Ohm (R5) på utgangen skjermer den stakkars opampen mot kortslutning (selv om den skal tåle det) samt sørger for at den holder seg stabil. Hele kretskortet har jordplan.
Ble forsterkeren bedre enn MP-1r? Ja. Med min amp og mic kan jeg måle 13,5 dB mer enn MP-1r stilt inn til samme gain samtidig som støygulvet er lavere. Forvrengningen er også 15dB lavere ved høye frekvenser. Målet er oppnådd . (Jeg legger ut målinger senere)

Del2:
MP-1r referansemikrofonen har en litt unøyaktig 94dB indikering. Det er en lysdiode som slår seg sakte på over et område på ca 1 dB. Jeg ønsket meg en enten av eller på indikering og valgte derfor å gå for en schmitt-trigger inverter(U3).
WM-61A har en følsomhet på ca. 15mV ved 94dB SPL. For å aktivere schmitt-triggeren trengs det ca. 2,5V og vi må forsterke 2,5/(0.015*0,707) = 235 ganger. Dette gjøres av en LM741 og vi har muligheten til å justere forsterkningen med RV1 for å tilpasse varierende følsomhet på mikrofonen. Ja, den er dårlig og jeg kommer ikke til å bruke den i neste versjon men deg gjorde nytten sin fint nå. Når lydtrykket er 94dB SPL så vil spenningen ut fra opampen akkurat nå grensen der inverteren (U3:A) fyrer i gang og som dermed går lav på utgangen og lader ut kondensatoren (C4) gjennom dioden(D2) i løpet av ca. 10ms. Utgangen U3:B går høy, U3_D går lav og vil dermed dra strøm gjennom lysdioden D1. Strømmen begrenses av R7. Når lydtrykket senkes trigges ikke inverteren lenger og R9 lader opp C4 i løpet av ca. 50ms og lysdioden slukner. Dette virker bra og reagerer øyeblikkelig på +-0,1dB. Målet er oppnådd
All denne switchingen vil jo generere en del digital støy når den er aktiv så jeg valgte å forsyne dette fra en 5V regulator (U4). Denne er igjen frakoblet batterispenningen gjennom RC filteret R11 og C5. Det er ingen forskjell på støymålingene mine når 94dB dioden var aktiv så dette fungerer fint. (kankje det er overkill?)
D3 indikerer at forsterkeren er på.

Del3:
Jeg ønsket som sagt å bruke oppladbare batteri. Den trygge metoden er å bruke gode gamle Nickel Metal Hydrid teknologien. Men siden jeg ville ha ganske høy spenning (minimum -+9V) så ville dette medført totalt 16 batterier og kabinettet hadde blitt grisestort. Jeg valgte dermed å bruke 2 stk li-po batterier på 11,1V (3 celler på 3,7V). Disse er små, lette og er også blitt latterlig billige. Ulempen er at de ikke tåler å bli over-ladet da de har den svært uheldige egenskapen at tar fyr og brenner noe helt jævlig!! Blir de under-ladet blir de permanent ødelagt hvis spenningen per celle kommer under 2,8V. Så at de er lette og fine har sin pris. Selve lade-prosessen har jeg overlatt til en ekstern li-po lader så jeg trenger ikke tenke på mer der. Men jeg måtte lage en krets som sørger for at forsterkeren slår seg selv av hvis spenningen blir for lav. Jeg hadde noen ledige porter igjen på schmitt-trigger chippen og bestemte meg for å bruke denne til dette også.
RV3 justeres slik at når batterispenningen kommer ned på 10,6V (3,2V per celle) så blir spenningen ut fra RV3 1,7V. Schmitt-triggeren (U3:E) bestemmer seg da for å gå høy og aktiverer dermed transistor Q1 gjennom R13 som igjen aktiverer OFF-spolen på et bi-stabilt relé. Dette slår seg da av og alt blir dødt. C10 sitter der bare for å holde spenningen til schmitt-triggeren stabil, men trengs kanskje ikke. (Edit: Nå ser jeg at den faktisk sitter koblet til digital VDD og ikke til jord. Nei og nei, denne bør fjernes!)
For å slå på igjen kretsen aktiveres ON-spolen på det bi-stabile reléet ved hjelp av en trykknapp (ON). Jeg har selvfølgelig også muligheten til å manuelt slå av kretsen med en OFF knapp som i likhet med transistoren aktiverer OFF spolen i reléet. Diode D5 og D4 sørger for at ikke høye spenninger ødelegger komponenter i kretsen når strømmen i spolene brytes.
Med de to batteriene på 610mAt hver har forsterkeren en driftstid på i hvert fall over 20 timer avhengig av bruk. (Jeg tror det er lenger men jeg glemte å måle ). Ladetiden er ca 1 time kaffepause og brannvarslerne kan trygt beholde sine batteri. Målet er oppnådd

Mikrofonen:
Mr. Linkwitz er en luring med lure venner og han har kommet opp med denne modden som gjør at mikrofonen tåler mye høyere lydtrykk: http://www.linkwitzlab.com/images/photos/mic-amp.jpg Det er dette jeg har brukt som utgangspunkt.
Jeg kjøpte først noen Panasonic MW-61A fra en luring i Taiwan som kaller seg audio.01 på ebay. Han lover dyrt og hellig at han selger ekte vare men disse var altså ikke ekte . De ligner fælt og virker brukbart men målinger viser at de har avvik på inntil 12dB både ved høye og lave frekvenser og de er ikke like noen av dem . Den lille teksten på siden av mikrofonene avslører også at disse ikke er ekte. Jeg kjøpte dermed 8 stykker av lianimator fra Canada og disse er ekte vare (tror jeg da..) De måler i hvert fall meget bra og har bare 1 dB avvik 20-20k fra den kalibrerte MP-1r. Både teksten på siden og det generelle utseende ser også mer skikkelig ut under lupen. Vel, en erfaring rikere laget jeg i hvert fall Linkwitz-modden uten særlige problemer. En youtube-video viser det på en flott måte. (det er IKKE meg på videoen Linkwitz Mod of WM-61A Condenser Microphone - YouTube
Mikrofonkapselen ble påloddet tre ledninger som i videoen. Deretter satte jeg på en krympestrømpe som jeg så fylte med epoxylim for å tette igjen eventuelle lekkasjer som ville påvirket responsen ved lave frekvenser samt at det beskytter ledningene og loddingene .Mikrofonen og krympestrømpen ble deretter satt inn i en liten bit 7mm biltema vannslange (båt). Dette ble igjen plugget inn i et 8mm forniklet kobberrør fra biltema. Jeg tror kobber er lurt da dette skjermer for innstrålt 50Hz støy fra strømnettet og transformatorer. Jeg fikk i hvert fall over 20dB lavere støy ved 50Hz enn MP-1r. I andre enden av røret monterte jeg en RCA plugg. Gjengene på denne var bare 6mm så jeg lagde noen langsgående spor inne i røret med en liten fil (biltema) og "foret" ut med fintrådet kobberledning før jeg skrudde den inn. Sitter som støpt

Det var det. Her kommer et lass med bilder av prosessen.


Bilder av kretsen, forsterkeren og mikrofonen:

Skjema

3D bilde over

3D bilde under

Bilde under. (Det ble litt endring underveis )

Bilde inni.

Forsterkeren forfra. På-knapp øverst og av-knapp nederst. Rød lysdiode indikerer 94 dB SPL. Grønn indikerer at forsterkeren er slått på.

Hull for justering av 94dB følsomhet på toppen. (Jeg traff!!)

Bilde bakfra med ladeplugger for de to batteriene

Bilde av spenningsindikator i ladepluggen

Delene klare for å settes inn.

Nærbilde foran

Kalibreringsoppsett Min mic og MP-1r

En gammel 8" sub og et NEO8 element fikk oppgaven med å lage toner fra 20-20k. bassen slet litt ned mot 20Hz, men til sammenligning av mikrofoner spiller det ingen rolle

En ekte Panasonic WM-61A med skrapt bort bane fra loddepunkt 2 til jord. Jordingpunktet er fortinnet

Dette er en uekte kopi fra Taiwan. Har har jeg i tellegg skrapt litt langs ringen for å få tak i loddepunktet til jord da dette var svært lite.

 

[Bx]

Kult prosjekt.

Hvordan ordner du kalibreringen?

 

[Armand]

Kalibrering

Bx ja. Jeg kjøpte *nesten* en målemic gjennom deg før jeg startet prosjektet
Kalibreringen ordnet jeg gjennom å lage en aktiv "høyttaler" av en liten gammel 8" subkasse og et NEO8 element hengt ved siden av. På alle sider av elementene satte jeg opp 7cm akustikkplater pluss 30cm glava på gulvet slik at de stod inne i et lite akustisk dempet "rom" sammen med de to målemikrofonene. Der inne ble de så godt som fritt for refleksjoner som kanskje kunne skapt forstyrrelser i målingene. (Du kan se oppsettet på et av de siste bildene.)

Delefrekvensen ble satt til 700Hz med et MiniDSP delefilter og begge elementene ble aktivt drevet av en Rotel 2x200W. Som lydkort brukte jeg "M-Audio Audiophile" og gjorde kontrollmålinger med RME Fireface 800 (FF800). REW støtter ikke ASIO på FF800 så jeg måtte bruke JAVA-drivere som bare virker opp til 44100Hz. MiniDSP ble drevet med digital input. Kjeden ble da som følger: Lydkort -> MiniDSP -> Forsterker -> Høyttaler -> Mic -> Micamp -> Lydkort
Jeg ønsket å bruke et NEO8 da dette har lav forvrengning. Frekvensresponsen ble EQ'et litt i bassen men den "ser ikke ut". Jeg gadd heller ikke justere riktig fase. Dette er uansett en relativ sammenlikning mot en referanse. Mikrofonene er montert flush klin inntil hverandre og burde ikke gi særlige avvik under 20kHz da avstanden fra senter til senter er bare 8mm.

Jeg brukte så REW og kjørte et sweep på min målemic for å få referansenivået siden min mic ikke har justerbart gain. Deretter kjørte jeg samme sweep på MP-1r og justerte denne slik at den fikk samme gain som min ved ca. 1000Hz. (med kalibreringskurve til MP-1r aktivert)
Jeg hadde da en referansekurve fra MP-1r. Denne ble eksportert til en tekstfil som inneholder dB SPL og fase ved 277 forskjellige frekvenser.
Kurven fra min mic ble eksportert på samme måte. Disse filene ble så importert i excel der jeg lagde en formel som fant forskjellen i SPL og fase mellom de to ved alle 277 frekvensene. Tabellen med avvik limte jeg inn i en ny fil som ble min kalibreringsfil. Så gjorde jeg selvfølgelig en ny måling av min egen mic med ned nye kalibreringsfilen aktivert og kontrollerte at den ble lik referansen. Jeg utførte samtidig en måling av følsomheten til min mikrofon ved å måle AC verdien ut fra min mic (samtidig som den satt i min amp) med et Fluke87 når 94dB dioden til MP-1r var sånn ca. halvveis på. Den var 16,1mV/Pa @ 1kHz. Det hele var ganske fort gjort.

Bilde fra deilige excel som gjør kjedelige beregninger for oss

Rød linje: Kalibrert referanse (MP-1r)
Gul linje: Min mic ukalibrert
Blå linje: Min mic med min kalibreringskurve aktivert. Avviket er nesten ikke synlig.

Vi ser at fasen også stemmer bortsett fra en bittelite avvik ved 11k som gjøre at den wrapper 360 grader.

Her er min kalibreringkurve. Avviket ved 11Hz burde jeg kanskje redigere da dette sikkert er målefeil. Ellers så er avviket på bare 2dB fra 20-20k.

 

[nysjerrigper]

Gainphile: Cheap and accurate speaker measurement

 

[bjarnetv]

Gainphile: Cheap and accurate speaker measurement

jeg bygget to slike WM-61A målemikrofoner etter to forskjellige oppskrifter på nettet, blandt annet gainphile sin; men begge målte ulikt og jeg følte ikke at noen av de stemte helt med virkeligheten.
endte med at jeg kjøpte en kalibret mic fra SOFSCI istedenfor.

ville ikke anbefalt hjemmelagede målemikrofoner med mindre man har skills nok til å lage en skikkelig preamp og kalibrasjonsfil

 

[Armand]

Gainphile: Cheap and accurate speaker measurement

jeg bygget to slike WM-61A målemikrofoner etter to forskjellige oppskrifter på nettet, blandt annet gainphile sin; men begge målte ulikt og jeg følte ikke at noen av de stemte helt med virkeligheten.
endte med at jeg kjøpte en kalibret mic fra SOFSCI istedenfor.

ville ikke anbefalt hjemmelagede målemikrofoner med mindre man har skills nok til å lage en skikkelig preamp og kalibrasjonsfil

Jeg er enig i at selvbygg av målemic er en risikosport hvis man ikke har mulighet eller vil bruke tid på å kalibrere den skikkelig mot en som er kalibrert. Ferdige målemicer er blitt såpass billige at det er ikke noe stort poeng å lage en selv. Spesielt med tanke på at man skal bruke den til å justere et anlegg man er glad i og kanskje har lagt mye arbeid i.
MEN, hvis man liker å fikle med elektronikk og tar seg tid til å kalibrere kan resultatet bli meget bra. Man trenger heller ikke lage så avansert batteristyring som jeg gjorde hvis man slenger inn 2 stk. 9V batteri.

Jeg har nå laget tre stykker og alle tre virker fint. Kalibreringskurvene for de tre holder seg innenfor +-2dB avvik fra referansen fra 20Hz til 20kHz. Noe som beviser at Panasonic sin WM-61A har ganske små avvik. Alle tre ligger også på mellom 17-19mV følsomhet ved 94dB lydtrykk ved 1000Hz. Jeg tror at hvis du fikk svært varierende resultat så hadde du ikke originale MW-61A. Det er masse piratkopier av disse på ebay osv.

 

[Armand]

Jeg har gjort noen målinger av mikrofonen og mic-preampen min og sammenlignet den med MP-1r KIT'et. Jeg har så godt jeg kan prøvd å gjøre målingene under helt like forhold og de har blitt gjort flere ganger for å luke bort feilkilder. Jeg måtte gjøre noen av målingene om natten med mange av husets strømkurser slått av for å oppnå lavt nok støynivå. Romling i magen og motoren i kjøleskapet i etasjen over slår ut på målingene . Selv om MP-1r-KIT'et kommer marginalt dårligere ut i mine sammenligninger er ikke dette er forsøk på å sverte dette, men det er kun dette jeg hadde å sammenligne min hjemmekonstruksjon med. Jeg har også mange flere målinger men presenterer et par av de viktigste her.


Bare Preamp
Begge pre-ampene har så lav støy at det er på grensen av hva jeg har utstyr til å måle og det tok litt tid å lage et godt nok oppsett til å skille de to. Jeg brukte et M-Audio firewire lydkort i følgende sammenligning. Utgangen ble drevet med -3dB FS for maksimalt S/N forhold deretter dempet jeg signalet 29dB med et motstandsledd før signalet igjen ble forsterket 25dB med mic-preampene og så kjørt inn på inngangen til lydkortet. Alt ble kjørt fra batteri for å unngå 50Hz støy i målingene. Ved disse målingene er MP-1r ca. 4dB under klipping

Min Amp. THD ligger på 0,0016% og gjennomsnittlig S/N er bedre enn 120dB.

MP-1r. THD ligger på 0,0028% og gjennomsnittlig S/N er ca. 120dB.




Både mikrofon og preamp

Her sammenligner jeg THD fra 500Hz til 20kHz. Til testen bruker jeg digital input til MiniDSP delefilter som jeg har justert den noe rufsete frekvensresponsen til NEO8 elementet. Dette elementet er noe av det beste som finnes når det kommer til harmonisk forvrengning og det egner seg dermed godt til en slik test.
Kurvene er ikke glattet ut.

Min amp og mic. Som man kan se så er det noe feil med elementet mitt ved 1,34kHz. Man kan også høre en svak "buzzing" rundt denne frekvensen og forvrengningen ligger på 2,15%. Men over 2kHz så er de harmoniske veldig langt nede. Forvrengningen ligger rundt 0,1%(!) helt opp til 20kHz

MP-1r. Det er lett å se den samme forvrengningen ved 1,34kHz (2,39%). Men over 2kHz så drukner forvrengningen til elementet i forvrengningen til målesystemet og blir liggende på rundt 0,3%

Frekvensrespons

Dette bildet viser sammenligning av frekvensrespons fra mitt kit (grønn) og MP-1r (rød) ved 94dB SPL. Kurvene er glattet ut med 1/12 oktav. Avviket er innenfor +- 0,1dB fra 15Hz til 25kHz

Konklusjon:

Jeg er fornøyd med resultatet. Mitt målekit er minst like bra som MP-1r og i noen tilfeller faktisk noe bedre. Frekvensresponsen på mitt kit er innenfor 0,1 dB avvik fra MP-1r og jeg føler meg trygg på å levere tilbake referansen og stole på mitt eget kit .

Hvis noen har lyst til å bygge sitt eget kit er jeg gjerne behjelpelig med hvordan man lager sin egen kaibreringskurve osv.