Microfono USB UMIK-1: analisi funzionamento hardware e utilizzo con REW

Test sui sitemi audio: dall'RTA ai tempi di volo, passando per le misure elettriche. Teoria e pratica alla portata di tutti
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Etabeta
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Microfono USB UMIK-1: analisi funzionamento hardware e utilizzo con REW

#1

Messaggio da Etabeta »

Ciao a tutti,
lo scopo di questo thread è quello di descrivere la struttura hardware del microfono USB UMIK-1 prodotto da Minidsp e fare qualche considerazione riguardo il funzionamento abbinato al software REW.
Premetto che questa non ha la pretesa di essere una guida all’utilizzo del microfono stesso o di REW, anzi, è rivolto a chi già ne conosce gli aspetti base, piuttosto ho voluto qui raccogliere alcune informazioni tecniche documentate parzialmente altrove integrandole con qualche considerazione personale e alcune misure.

Premessa generale riguardo i microfoni USB
I microfoni di misura generalmente sono corredati da un file di calibrazione contenente le informazioni necessarie, ai software di misurazione, per fornire delle misure di valore assoluto attendibili per quanto riguarda la risposta in frequenza e la pressione acustica.
Per comprendere quanto segue è necessario avere chiaro il significato delle seguenti unità di misura:
dBSPL : rappresenta il livello della pressione acustica misurata (https://it.wikipedia.org/wiki/Pressione_acustica)
dBFS : rappresenta il valore relativo rispetto al “fondo scala digitale/full scale” (0dBFS), è universalmente utilizzato per indicare il livello di un segnale audio codificato in digitale (https://en.wikipedia.org/wiki/DBFS)
Lo scopo del file di calibrazione è quello di fornire dei riferimenti di valore assoluto in modo che il software che effettua le misure sia in grado con convertire i campioni audio forniti dal microfono digitale USB appunto in valori assoluti. Esiste quindi una convenzione che descrive che tipo di informazione deve essere inclusa nei file di calibrazione.

Definizione del parametro "Sens Factor"
Riguardo la misura della pressione acustica il parametro denominato “Sens Factor”, espresso in dBFS, definisce il margine, rispetto alla soglia massima (0dBFS), del segnale audio digitale fornito dal microfono quando sottoposto a segnale audio di 94dBSPL e regolazione del volume di ingresso regolato al massimo (+24dB nel caso specifico dell’UMIK-1).
Un esempio per chiarire:
Microfono USB avente “Sens Factor”=-5dB (regolazione vol. max +24dB) con regolazione del volume impostata a 0dB, viene effettuata una misura e rileva livello di -50dBFS, quale sarà il livello SPL corrispondente computato da REW?
dBSPL=94+dBFS-Sens Factor+Vol.max gain-Vol. attuale gain=94+(-50)-(-5)+24-0=73
Quindi in questo esempio la lettura di -50dBFS rilevata sarà computata da REW come corrispondente a 73dBSPL

Il file di calibrazione UMIK-1
Ecco un estratto da un file di calibrazione di un UMIK-1 (il mio nella fattispecie)
"Sens Factor =0.925dB, SERNO: 7052473"
10.054 -3.4046
10.179 -3.2499
10.306 -3.0984
10.434 -2.9500
10.564 -2.8048


19770.697 0.4843
20016.816 0.4599


Quindi, nel caso di questo specifico microfono, avente seriale 7052473, il “Sens Factor” è di 0.925dB ovvero quando questo microfono è soggetto a pressione acustica di 94dBSPL e il volume (regolato dal pc) relativo a questo dispositivo audio di input è regolato al 100% (+24dB) il risultato sarà un segnale audio digitale di livello +0.925dBFS (quindi andrà in clipping, avendo superato il limite dello 0dBFS).
I numeri nelle righe successive, come è facile intuire, rappresentano invece la sensibilità, in eccesso in difetto, rispetto alle singole frequenze utilizzare per la taratura in fase di produzione, tali valori verranno utilizzati dal software di misura per correggere (tramite interpolazione, per tutta le banda audio) la risposta in frequenza e poter quindi fornire valori assoluti precisi. Ad esempio alla frequenza di 10.306Hz occorre applicare un correttivo di +3.0984dB
L’aspetto che però desidero evidenziare e chiarire qui è quello relativo alla misura della pressione acustica e il valore limite di pressione acustica misurabile. Non tanto per poter misurare valori “esorbitanti” in impianti “SPL” ma piuttosto per evitare di arrivare al clipping del microfono e quindi ottenere misure esenti da distorsione.

NOTA: qualche tempo fa Minidsp ha riscontrato che, per un certo lotto di produzione il file di calibrazione fornito riportava “Sens Factor” errato e quindi sono stati ri-caricati sul server web nuovi file. Nel mio caso, UMIK-1 acquistato a inizio 2020, ho appunto riscontrato che il file calibrazione scaricato un mese fa (6/2022) riporta “Sens Factor” (riferito a gain come impostato di fabbrica quindi 18dB) pari a 0.925dB contro il file scaricato a 1/2020 pari a -2.075dB (sia per il file relativo alla misura in asse che a 90°) quindi una differenza di 3dB esatti. Nessuna variazione nei parametri di riposta in frequenza.
Effettuando delle misure comparative con Clio Pocket le letture mostrano livelli molto vicini con scostamenti di circa 1dB su tutta la banda audio.
Quindi il consiglio è: scaricate nuovamente sul sito Minidsp il file di calibrazione e verificare se riporta valore di “Sens Factor” differente, nel caso ovviamente va utilizzato il nuovo file.

Specifiche UMIK-1
Questa la scheda pubblicata dal produttore dell’oggetto
Product Brief - Umik.pdf
(574.76 KiB) Scaricato 27 volte
Come noto si tratta di un microfono USB quindi ovviamente è dotato internamente di un convertitore A/D

Struttura interna dell’ UMIK-1
Il primo passo per vedere come è realizzato questo microfono chiaramente è quello di aprirlo.
Per far ciò occorre svitare una ghiera sul fondo, utilizzando una chiave a compasso (vedi due piccoli fori sulla ghiera circolare) ruotando in senso antiorario.
UMIK-1 fondello_label.jpg
UMIK-1 fondello_label.jpg (34.87 KiB) Visto 1305 volte
Nella foto qui sopra sono evidenziati i due fori in cui puntare la chiave a compasso, eventualmente si può utilizzare una pinzetta, attenzione a non farsi male! Nel mio esemplare la ghiera era serrata piuttosto forte.
Ecco la ghiera svitata e rimossa. Tutto il corpo del microfono è in lega di alluminio.
UMIK-1 ghiera svitata_600.jpg
UMIK-1 ghiera svitata_600.jpg (18.27 KiB) Visto 1305 volte
Fatto ciò è possibile sfilare il fondello e quindi accedere al pcb.
UMIK-1 pcb (gain 18dB) label.jpg
A colpo d’occhio si nota, partendo da sx, un dip-switch a 4 vie, un microcontrollore PIC16LF1823, chip eeprom, chip convertitore A/D e interfacciamento USB AK5374 della AKM che è il cuore dell’oggetto.
La capsula microfonica è avvitata ovviamente sulla punta del microfono e connessa con 3 fili al pcb (segnale, alimentazione, gnd).
Al fine di capire in dettaglio il funzionamento del microfono occorre partire dal datasheet del chip AK5374.
ADC AK5374.pdf
(1.53 MiB) Scaricato 19 volte
Tale chip è specificamente realizzato per l’impiego in microfoni USB. Integra al suo interno non solo un doppio convertitore A/D 24bit ma anche il preamplificatore per il microfono, con guadagno variabile tramite settaggio di un registro, e l’interfaccia USB.
Qui di seguito lo schema funzionale a blocchi dell’ AK5374, utile per capire poi le specifiche e funzionalità dell’UMIK-1.
AK5374 block diagram.png
Come vedete, la capsula microfonica (qui ne sono raffigurate 2, nel caso dell’UMIK-1 ne è presente una monofonica) è direttamente connessa al chip, il segnale è amplificato internamente tramite uno stadio a guadagno variabile tra 0 e 36dB, quindi avviene la conversione A/D, il flusso audio digitale viene quindi controllato in volume (regolazione tra -31 a +24dB) e passato all’interfaccia USB.
Ora che sono chiare le funzionalità dell’AK5374 è possibile capire meglio quello che segue, cioè i parametri di configurazione dell’UMIK-1.
Nel pcb è presente, come mostrato nella foto precedente, un blocco di 4 dip-switch, di cui i primi 3 attivi (il 4° non è utilizzato), la funzione è quella di settare il guadagno, analogico, dello stadio di preamplificazione, all’interno del chip AK5374. Più precisamente il guadagno viene configurato tramite un apposito registro di programmazione, quindi lo stato on/off 1/0 dei singoli dip-switch viene rilevato dal microcontrollore PIC16LF1823 che a sua volta passa il comando di settaggio del registro al chip AK5374 seconda la seguente tabella (vedi datasheet AK5374 pag. 14):
“000”: 0dB
“001”: 0dB
“010”: +6dB
“011”: +12dB
“100”: +18dB
“101”: +24dB
“110”: +30dB
“111”: +36dB

Che rispecchia [EDIT: in logica inversa] quanto riportato nella serigrafia sul retro del pcb, vedi foto seguente:
UMIK-1 pcb retro (tabella gain).jpg
Nota: degli 8 stati possibili i primi 2 sono coincidenti [EDIT: “000” e “001” nel registro ovvero “111” e “110” come impostazione dip-switch] corrispondono entrambi a 0dB di guadagno.
A parte gli esemplari del primo periodo di produzione, tutti gli UMIK-1 sono settati in fabbrica con guadagno analogico impostato a 18dB (dip switch: 011).
Notare che, in base a come è impostato il guadagno analogico (ovvero i dip-switch) cambia la stringa identificativa del dispositivo USB. Ad esempio nel caso di guadagno 18dB la stringa è “Umik-1 Gain: 18dB”, questo “stratagemma” (attuato tramite il microcontrollore interno al microfono) serve a passare a REW appunto il parametro del guadagno analogico impostato e quindi a determinare il massimo valore di pressione acustica misurabile prima del clipping (chiaramente più il guadagno è alto e prima va in clipping il convertitore A/D).

Gestione dell’audio in Windows
Occorre ora entrare più nel dettaglio anche per quanto riguarda la modalità di gestione dell’audio in ambiente Windows, e di conseguenza poi in REW.
La regolazione del volume di una periferica audio in windows si basa su una scala che viene generata in base alle informazioni che il dispositivo audio stesso passa al sistema operativo.
Nel caso specifico dell’UMIK-1, la regolazione, digitale, del volume , operata internamente dall’AK5374 come ho scritto, va da -31 a +24dB, ciò è facilmente verificabile.
Per prima cosa impostiamo, in windows, dal “pannello di controllo audio”, la scala di visualizzazione da percentuale in dB:
Proprietà Microfono Win - Percentuale (53%=0dB).png
Proprietà Microfono Win - Percentuale (53%=0dB).png (5.32 KiB) Visto 1305 volte
Proprietà Microfono Win - dB (0dB=53%).png
Proprietà Microfono Win - dB (0dB=53%).png (5.38 KiB) Visto 1305 volte
Abbiamo così verificato che la regolazione di default (53%) corrisponde a 0.2dB (quindi circa zero guadagno).
La regolazione minima e massima corrisponde invece a, come previsto, -31dB e +24dB
La regolazione predefinita, zero dB=53% è rappresentata come 0,53 in REW.
REW regolazione volume.png
Se è settata la casella di spunta su “control input volume” REW potrà controllare appunto il livello del volume del microfono, ovvero portalo automaticamente al valore inserito nella casella (che va da 0 a 1 ovvero a 0% al 100% cioè da -31 a 24dB nel coso sia in uso l’UMIK-1).
NOTA: l’UMIK-1 è invertente come molti microfoni di misura. Questo aspetto non influenza le misure di risposta in frequenza/livello ma è possibile in REW, settando l’apposita casella “Invert” in “Input option” (come da immagine sopra), rimetterlo in fase.
A prescindere che sia o no settata la casella “control input volume” REW legge sempre in tempo reale la regolazione del volume della periferica audio di ingresso in quanto ciò è essenziale per poter fornire letture di livello di valore assoluto (dBSPL) corrette rispetto al valore del livello audio (dBFS) fornito dalla periferica.
E qui si arriva al nocciolo della questione, come fa REW a fornire letture del segnale audio espresse in dBSPL di valore assoluto esatto avendo in ingresso un segnale audio digitale (attraverso l’interfaccia USB dell’UMIK-1) espresso in dBSPL?

I parametri che vengono utilizzati da REW sono:
  • il “Sens Factor” (specificato nel file di calibrazione, per determinare la relazione tra dBSPL e dBFS)
  • il volume della periferica audio in Windows (cambiando il volume cambia la relazione da tra dBSPL e dBFS)
  • il guadagno analogico impostato internamente nell’UMIK-1 (per determinare il massimo livello dBSPL prima del clipping, viene rilevato, come ho scritto prima in base al nome della periferica, ad es: “Umik-1 Gain: 18dB”)
Quindi REW provvede a fornire una lettura del livello assoluto corretta a prescindere dalla regolazione del volume della periferica di ingresso.
C’è però un aspetto di cui tenere conto: la riduzione della dinamica (ovvero dal massimo livello misurabile) al salire del volume impostato in Windows. Se ad esempio imposto il volume (nel pannello di controllo audio di Windows in REW, il che è equivalente) dell’UMIK-1 al massimo allora il massimo livello misurabile si abbasserà di 24dB.
Da questo punto di vista torna utile l’indicatore (in basso al centro nella finestra di REW) “Peak input before clipping”.
Nel caso in esempio (UMIK-1 con guadagno analogico 18dB e Sens Factor=0.9) e volume regolato Windows pari al 53% ovvero 0,53 in REW ovvero 0dB, il massimo livello di picco misurabile prima del clipping è 123dBSPL, ed infatti questo compare:
REW dBSPL peak before clipping UMIK-1 gain 18dB Volume +0dB (0.53) 123dBSPLpeak_ridim.png
REW dBSPL peak before clipping UMIK-1 gain 18dB Volume +0dB (0.53) 123dBSPLpeak_ridim.png (3.92 KiB) Visto 1305 volte
Ma… se portiamo la regolazione del volume in Windows (o in REW il che è la stessa cosa) al massimo, ovvero 100%=1 in REW cioè +24dB ecco che il massimo livello misurabile si abbassa, appunto, di 24dB (come è ovvio che sia visto che si tratta di una regolazione del volume digitale che trasla verso l’alto il livello di 24dB), ecco che visualizzeremo:
REW dBSPL peak before clipping UMIK-1 gain 18dB Volume +24dB (1) 99dBSPLpeak_ridim.png
REW dBSPL peak before clipping UMIK-1 gain 18dB Volume +24dB (1) 99dBSPLpeak_ridim.png (2.82 KiB) Visto 1305 volte
Quindi: il consiglio è di lasciare la regolazione del volume sempre nella posizione di default in REW (ovvero 0,53) attivando il flag “control input volume” in modo da essere certi che, a prescindere dal eventuale diversa regolazione, avviando REW il volume relativo sarà automaticamente portato al valore “piatto” di 0dB. Teniamo presente che, trattandosi di una regolazione del volume digitale, settare un valore oltre lo 0dB non porta alcun tipo di vantaggio, non viene aggiunta alcuna informazione, anzi, viene ridotto il margine dinamico.

Vediamo un paio di misure SPL reali, da me effettuate con UMIK-1 (gain 18dB) con volume regolato prima a 0,53 (0dB) e poi a 1 (+24dB).
SPL_METER_UMIK_18db_94dBSPLrms_VOL_DEFAULT_0.53_+0dB_100dBSPLpeak.png
SPL_METER_UMIK_18db_94dBSPLrms_VOL_DEFAULT_0.53_+0dB_100dBSPLpeak.png (27.94 KiB) Visto 1305 volte
Misura 1: volume=0.53=0dB, 94dBSPL=-23.52dBFS
NOTA: con questo livello di volume REW indica, correttamente, 123dBSPL di picco prima del clipping, infatti, qui rileviamo 94dBSPL (valore medio) e 99,9dBSPL di picco, ovvero, tenendo conto del margine di 23,52dBFS ancora presente arriviamo appunto a 123dBSPL di picco misurabili.
SPL_METER_UMIK_18db_CLIPPING_93dBSPLrms_VOL_MAX_+24dB_99dBSLPpeak.png
SPL_METER_UMIK_18db_CLIPPING_93dBSPLrms_VOL_MAX_+24dB_99dBSLPpeak.png (27.53 KiB) Visto 1305 volte
Misura 2: volume=1=+24dB, 93.4dBSPL=-0,17dBFS
NOTA: con questo livello di volume REW indica, correttamente, 99dBSPL di picco prima del clipping, infatti, qui rileviamo 93.4dBSPL (valore medio) e 99,1dBSPL di picco, ovvero, siamo già al clipping, ho dovuto abbassare di 0,6dBSPL la pressione sonora per evitarlo.
Di fatto con il volume impostato al massimo non è possibile effettuare misura di 94dBSPL, infatti il valore di Sens Factor, riportato nel file di calibrazione, per questo microfono (per gain analogico 18dB) è 0,925dB ovvero con pressione di 94dBSPL, e volume impostato al massimo, si sfora di quasi 1dB il limite dello 0dBFS, appunto, insorge il clipping.
Per visualizzare ancora più chiaramente il fenomeno, ecco il tracciato della funzione “oscilloscopio” di REW, relativamente alla misura effettuata con volume max e 93.4dBSPL (ovvero al limite del clipping).
Le righe tratteggiate orizzontali rappresentano il livello limite del segnale digitale, cioè 0dBFS
REW Scope peak 0dB before clipping UMIK-1 gain 18dB Volume +24dB (1) 99dBSPLpeak.png
Qui sotto invece il livello del segnale con volume impostato a 0.53, ovvero +0dB, stessa pressione acustica, come si può vedere ci si allontana molto dal limite dello 0dBFS
REW Scope peak -24dB before clipping UMIK-1 gain 18dB Volume +0dB (0.53) 123dBSPLpeak.png
Per guadagnare ulteriore spazio dinamico, non è utile abbassare il livello del volume in windows (sotto lo 0dB, ovvero guadagno negativo) in quanto ciò che andrebbe comunque in clipping è, a monte, il convertitore A/D dell’AK5374 nel microfono. In questo può trarre in inganno il fatto che, se si abbassa la regolazione del volume, il valore “dBSPL peak before clipping” visualizzato da REW si alza raggiungendo valori però virtuali, non realmente misurabili se si supera appunto il clipping digitale del convertitore.
Qui un’immagine di esempio: applicando un segnale acustico tale da mandare in clipping il convertitore A/D (tale livello naturalmente cambia in base al guadagno analogico impostato nel microfono, che agisce a monte del convertitore) anche se abbasso la regolazione del volume in windows la distorsione rimane seppur si abbassa il livello del segnale codificato in digitale, dandoci l’illusione di avere ancora un margine (nell’esempio -6 dBFS) che in realtà è illusorio.
NOTA: per creare il caso di esempio senza dover generare pressioni acustiche “esagerate” ho creato questa situazione limite settando guadagno analogico al max (36dB). Ciò a dimostrare che certamente il clipping qui insorge nel convertitore A/D e non è distorsione della capsula microfonica (la pressione sonora qui è molto al di sotto del limite accettato dalla capsula).
REW Scope peak -4.79dB before clipping UMIK-1 gain 36dB Volume -5.8dB (0.33) 105dBSPLpeak misurato (REW 111dBSPL before clipping).png
Tutto ciò per arrivare a dire che è bene non spostare la regolazione del volume dalla posizione di default (0,53=0dB) in quanto se spostato al di sotto (guadagno negativo, ovvero attenuazione) non si crea un margine dinamico ulteriore (rispetto a quello del convertitore A/D) e se spostato al di sopra si ottiene solamente di ridurre la dinamica misurabile.
Chiarito ciò, per ottenere una variazione effettiva del margine dinamico occorre invece agire sul guadagno analogico, argomento del paragrafo successivo.
Ecco quindi che se abbasso il guadagno analogico, a parità di livello di segnale acustico e quindi di livello segnale elettrico emesso dalla capsula microfonica, si abbassa il segnale in ingresso al convertitore A/D.
L’obiettivo quindi è quello di impostare un guadagno analogico tale da evitare il clipping del convertitore A/D ai livelli di pressione sonora (di picco) previsti nell’ambiente di misura (tenendo anche un po' di margine di sicurezza).
Chiaramente è da tener presente anche il massimo livello SPL (assoluto) accettato dalla capsula microfonica, che nel caso specifico dell’UMIK-1 è ben 133dBSPL (che non è ancora il suo limite, ma il livello relativo a THD 1%), valore che direi non preso mai raggiungerò (per il bene delle mie orecchie).

Impostazione del guadagno analogico
Come ho descritto prima, nell’UMIK-1 è possibile, tramite i dip-switch interni, modificare il guadagno analogico attuato dal chip AK5374 a monte della conversione A/D, cioè il guadagno dello stadio di preamplificazione frapposto tra la capsula microfonica e il convertitore. Tale guadagno può essere impostato, nella modalità che ho già descritto, su 8 livelli, tra 0dB (guadagno minimo) e +36dB (massimo), come ho già scritto di default in fabbrica è impostato a 18dB.
Naturalmente variando il guadagno varia il massimo livello SPL misurabile prima del clipping, può essere quindi necessario abbassare, sotto i 18dB, il guadagno.
Tenete presente che non si tratta di un’esigenza legata a fare misure SPL di impianti particolarmente “forti” ma, può capitare, effettuando misure di impianti “normali” in ambienti un po' rumorosi dove è necessario, per fare misure “pulite”, salire un po' con il livello di emissione, arrivare al clipping (situazione in cui REW abortisce la misura).

Qualcuno potrà dire: “Ma se il DAC nell’AK5374 opera con risoluzione a 24bit, quindi con dinamica teorica di 144dB quindi un intervallo che va da -144 a 0dBFS, perché quindi ci si deve preoccupare del guadagno analogico a monte? Lo imposto a 0dB ed ecco che posso sfruttare a fondo la capsula microfonica che arriva, da specifiche, a 133dBSPL con 1%THD!”. Purtroppo non è così semplice.

Premettendo che REW è basato su Java e, a meno di utilizzare driver ASIO, ciò limita l’interfaccia audio a 16bit, quindi 96dB di dinamica, a parte ciò, in realtà, come sempre quando ci si riferisce ad un convertitore A/D, la risoluzione effettiva è inferiore, ovvero su livelli più bassi di segnale degrada man mano la linearità. Quindi, per ottimizzare la precisione si misura, occorre attuare un compromesso tra linearità e dinamica. Qui il discorso sarebbe lungo e complesso, utile in tale senso è anche la lettura del datasheet dell’AK5374, sarebbe anche necessario avere le specifiche della capsula microfonica, che però non son riuscito a reperire.
Nel mio caso la soluzione adottata è stata quella di passare da 18 a 12dB di guadagno, potendo contare così su ulteriori 6dB di dinamica, quel tanto che basta per poter fare misure anche con picchi di emissione un po' più sostenuti. Effettuando misure comparative di risposta in frequenza (sweep a 74dBSPL) non ho rilevato scostamento rispetto alla configurazione con guadagno 18dB.
A livello pratico, molto semplicemente, ho impostato i dipswitch come da tabella per guadagno 12dB: 1-0-0 (rispetto all’impostazione predefinita di fabbrica 18dB: 0-1-1)
UMIK-1 pcb (gain 12dB) dipswitch.jpg
Come ho descritto prima, quando viene modificato il guadagno analogico settando i dip-switch viene automaticamente modificata la stringa identificativa che l’UMIK-1 passa al pc attraverso l’interfaccia USB.
Quindi con l’impostazione precedente (gain 18dB) il microfono veniva identificato in questo modo
Gestione dispositivi Win - UMIK-1 18dB.png
E ora, con impostazione gain 12dB, compare così:
Gestione dispositivi Win - UMIK-1 12dB.png
NOTA: occorre dare il comando di disinstallazione del driver e poi disinserire/reinserire la connessione USB affinché il nome si aggiorni.
L’associazione del nome della periferica serve a REW per riconoscere sia la presenza dell’UMIK-1 sia il guadagno analogico impostato in modo da determinare automaticamente (unitamente al livello del volume impostato in windows e al parametro “Sens Factor” nel file di calibrazione) il livello SPL di picco misurabile.
Quindi se il guadagno analogico viene abbassato di 6dB (passando da 18 a 12dB) ecco che di conseguenza aumenta di 6dBSPL il massimo livello misurabile di pressione acustica.
Occorre però anche tenere conto del parametro “Sens Factor”, come ho già scritto questo parametro è necessario a REW per determinare la relazione tra livello dBSPL (la pressione sonora rilevata) e dBFS (livello del segnale audio digitale inviato da microfono sull’interfaccia USB).
Il file di calibrazione, fornito dal produttore (Minidsp), è scaricabile individualmente dal sito web per ogni microfono prodotto, inserendo il numero seriale. Tale file è riferito, riguardo il parametro “Sens Factor”, al settaggio di fabbrica (gain 18dB).
Nel caso del mio UMIK-1 il “Sens Factor” è 0.925dB (uguale sia per la calibrazione “diritta” che 90°), cambiando il guadagno da 18 a 12dB occorre editare nel file il “Sens Factor” in -5.075dB (ovvero 6dB più basso, essendo appunto abbassata la sensibilità).
Questo passaggio in effetti non è molto intuitivo, si potrebbe pensare che siccome REW “vede” che ora il guadagno è 12dB effettui in automatico la variazione nel calcolo del valore ma non è così in quanto REW, nel computo della sensibilità, considera il “Sens Factor” come valore assoluto e non correlato al guadagno analogico. Da questo punto di vista c’è l’ipotesi che in una futura versione di REW possa essere prevista la lettura di un’ulteriore parametro (attualmente non gestito: “Again” che sta per “analog gain”) nel file di calibrazione che indichi a quale livello di guadagno è relativo il “Sens Factor” riportato in modo da poterlo automaticamente rapportare al guadagno settato.
Quindi, infine, avendo REW noti “Sens Factor”, i fattori di correzione del file di calibrazione per le varie frequenze e il volume impostato in windows è in grado di misurare sullo spettro audio il valore assoluto SPL in tempo reale partendo dal segnale audio digitale fornito sull’interfaccia USB dall’UMIK-1.
Ecco allora il raffronto, riguardo la misura SPL, relativamente alla misura un segnale acustico di livello 94dBSPL (lo stesso misurato precedentemente con gain=18dB).
SPL_METER_UMIK_12db_94dBSPLrms_VOL_DEFAULT_0dB_129dBSLPpeak.png
SPL_METER_UMIK_12db_94dBSPLrms_VOL_DEFAULT_0dB_129dBSLPpeak.png (28.63 KiB) Visto 1305 volte
Qui il volume in windows è impostato nella posizione corretta, ovvero 0,53 in REW cioè 0dB, il livello è -29,57dBFS, nella stessa condizione con gain 18dB era -23.52dB, come previsto ci sono quindi ora 6dB di margine in più.
In questa condizione (gain 12dB e volume 0dB) REW indica come max dBSPL prima del clipping 129dBSP di picco. Anche questo torna: la misura effettuata indica 99,8dBSPL di picco, sommando i 29dB di margine prima del clipping si arriva appunto a 129dB
REW dBSPL peak before clipping UMIK-1 gain 12dB Volume 0dB (0.53) 129dBSPLpeak_ridim.png
REW dBSPL peak before clipping UMIK-1 gain 12dB Volume 0dB (0.53) 129dBSPLpeak_ridim.png (4.12 KiB) Visto 1305 volte
Ora alzo il volume al massimo (ovvero +24dB), rifaccio la misura:
SPL_METER_UMIK_12db_94dBSPLrms_VOL_MAX_+24dB_105dBSLPpeak.png
SPL_METER_UMIK_12db_94dBSPLrms_VOL_MAX_+24dB_105dBSLPpeak.png (28.2 KiB) Visto 1305 volte
I valori SPL assoluti misurati sono gli stessi (come già spiegato, REW computa le letture tenendo conto della regolazione del volume applicato alla periferica di acquisizione audio), però ora la lettura dBFS indica -5,57 ovvero, appunto, 24dB di margine in meno pari al guadagno applicato dalla regolazione del volume che, appunto, ha “mangiato” la dinamica.
Ed infatti ora REW indica come max livello di picco misurabile 105dBSPL (rispetto ai 129 di prima), è sceso di 24dB.
REW dBSPL peak before clipping UMIK-1 gain 12dB Volume +24dB (1) 105dSPLpeak_ridim.png
REW dBSPL peak before clipping UMIK-1 gain 12dB Volume +24dB (1) 105dSPLpeak_ridim.png (4.27 KiB) Visto 1305 volte
Notiamo anche un altro aspetto: -5,57dB è anche pari (fatto salvo una piccola tolleranza) al valore di “Sens Factor”, ed infatti il “Sens Factor”, per definizione standard (è anche riportato nella guida di REW ma ciò vale per tutti i microfoni di misura/calibrati USB) è relativo al valore dBFS fornito dal microfono nella condizione di 94dBSPL di pressione acustica e volume sull’interfaccia audio impostata al massimo. Tutto torna, il cerchio è chiuso.

Non so quanti abbiano avuto la pazienza di arrivare fino a qui, a questi spero di aver fornito qualche informazione utile. Alcuni di questi aspetti sono trattati in modo sparso (principalmente sul forum Minidsp per l’UMIK e avnirvana.com per quanto riguarda REW) ma anche contraddittorio, lo stesso John Mulcahy autore di REW riguardo il parametro il “Sens Factor” riporta informazioni in parte discordanti sul forum avnirvana.com rispetto alla guida di REW da lui stesso creata, in pratica quanto ho scritto qui è un percorso che ho seguito per arrivare a determinare come stanno le cose.
Buone misurazioni a tutti :)
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ozama
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Re: Microfono USB UMIK-1: analisi funzionamento hardware e utilizzo con REW

#2

Messaggio da ozama »

Interessante. :hmm:
Penso di non avere bisogno di modificare il guadagno del microfono, per le misure che mi capita di fare. Ma tutto questo è molto interessante..
Tra l’altro, ho acquistato il microfono l’anno scorso (2021).. E più tardi vado a vedere i files di calibrazione quale valore riportano. Che non si sa mai.. :hmm:
Ciao e grazie, come sempre! :)
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goldrake74
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Re: Microfono USB UMIK-1: analisi funzionamento hardware e utilizzo con REW

#3

Messaggio da goldrake74 »

@Etabeta molto interessante il tuo articolo.
L'umik l'avevo preso tre anni fa, ma alla fine non l'ho più utilizzato.
Questa è la volta buona che provo ad usarlo!
Grazie :yes: :D
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max1974
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Re: Microfono USB UMIK-1: analisi funzionamento hardware e utilizzo con REW

#4

Messaggio da max1974 »

Etabeta ha scritto: 17 lug 2022, 10:33
Nel pcb è presente, come mostrato nella foto precedente, un blocco di 4 dip-switch, di cui i primi 3 attivi (il 4° non è utilizzato), la funzione è quella di settare il guadagno, analogico, dello stadio di preamplificazione, all’interno del chip AK5374. Più precisamente il guadagno viene configurato tramite un apposito registro di programmazione, quindi lo stato on/off 1/0 dei singoli dip-switch viene rilevato dal microcontrollore PIC16LF1823 che a sua volta passa il comando di settaggio del registro al chip AK5374 seconda la seguente tabella:
“000”: 0dB
“001”: 0dB

“010”: +6dB
“011”: +12dB
“100”: +18dB
“101”: +24dB
“110”: +30dB
“111”: +36dB

Che rispecchia quanto riportato nella serigrafia sul retro del pcb, vedi foto seguente:
UMIK-1 pcb retro (tabella gain).jpg
Nota: degli 8 stati possibili i primi 2 sono coincidenti: “111” e “110” corrispondono entrambi a 0dB di guadagno.
Io ho avuto la pazienza di leggere, ma c'è una cosa che non mi torna (vedi grassetto ingrandito qui sopra).
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Re: Microfono USB UMIK-1: analisi funzionamento hardware e utilizzo con REW

#5

Messaggio da Etabeta »

max1974 ha scritto: 19 lug 2022, 13:44
Etabeta ha scritto: 17 lug 2022, 10:33
Nel pcb è presente, come mostrato nella foto precedente, un blocco di 4 dip-switch, di cui i primi 3 attivi (il 4° non è utilizzato), la funzione è quella di settare il guadagno, analogico, dello stadio di preamplificazione, all’interno del chip AK5374. Più precisamente il guadagno viene configurato tramite un apposito registro di programmazione, quindi lo stato on/off 1/0 dei singoli dip-switch viene rilevato dal microcontrollore PIC16LF1823 che a sua volta passa il comando di settaggio del registro al chip AK5374 seconda la seguente tabella:
“000”: 0dB
“001”: 0dB

“010”: +6dB
“011”: +12dB
“100”: +18dB
“101”: +24dB
“110”: +30dB
“111”: +36dB

Che rispecchia quanto riportato nella serigrafia sul retro del pcb, vedi foto seguente:
UMIK-1 pcb retro (tabella gain).jpg
Nota: degli 8 stati possibili i primi 2 sono coincidenti: “111” e “110” corrispondono entrambi a 0dB di guadagno.
Io ho avuto la pazienza di leggere, ma c'è una cosa che non mi torna (vedi grassetto ingrandito qui sopra).
Ciao,
si, certamente, è specificato nel datasheet dell'AK5374 che ho allegato nel post #1 (tabella a pag.14), come ho scritto nella riga sottostante la foto del retro del pcb (che riporta la tabella di settaggio del gain) i primi due stati (“000” e “001” nel registro ovvero “111” e “110” come impostazione dip-switch) corrispondono entrambi a 0dB di guadagno.
E' una situazione tipica: essendo 8 gli stati possibili tramite 3 dip-switch, rispetto ai 7 step configurabili nel chip AK5374, per evitare di avere uno stato indeterminato si duplica uno stato (riportandolo nella tabella per chiarezza).
EDIT: l'elenco degli stati riportato testualmente nel post è quello relativo al registro interno dell chip AK5374 (come nella tabella 14 del datasheet), quello relativo ai dhip-switch ha la logica inversa (es: guadagno 36dB corrisponde nel registro a 111 che corrisponde a 000 di settaggio dei dip-switch).
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max1974
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Re: Microfono USB UMIK-1: analisi funzionamento hardware e utilizzo con REW

#6

Messaggio da max1974 »

Ma io infatti non parlavo del doppio stato, mi riferivo al fatto che le configurazioni 0dB corrispondevano in tabella a 000 e 001 mentre sotto indicavi 111 e 110. Mi era sfuggito il discorso della logica negata.
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