噪聲監測系統傳聲器的溫度特性實驗研究

桂 桂，姚小兵，鄂治群，張海錠，萬宇鵬，謝榮基

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021)

噪聲監測系統傳聲器的溫度特性實驗研究

桂 桂，姚小兵，鄂治群，張海錠，萬宇鵬，謝榮基

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021)

針對溫度變化引起傳聲器性能改變，導致噪聲測量結果出現誤差的問題。該文在研究現有性能評價方法和戶外傳聲器結構的基礎上，討論溫度對傳聲器膜片張力的影響因素，然后對電容傳聲器膜片進行熱應變有限元分析，并選用3只不同傳聲器進行溫度環境實驗，得出在實驗溫度范圍-20～50℃內，傳聲器靈敏度和頻響隨溫度變化的特性曲線。實驗表明：有限元結果與環境實驗結果相結合，對戶外傳聲器的設計制造和使用具有一定的理論指導意義。

電容傳聲器；溫度特性；有限元；環境實驗

我國現行標準及規范規定對傳聲器的校準必須在標準實驗環境下進行，對戶外傳聲器特殊的應用環境并未考慮[2]。在GB/T 20441.4——2006《測量傳聲器 第4部分：工作標準傳聲器規范》中，提到了小幅且緩慢的溫度變化會引起傳聲器性能的可逆變化，且提出在-10～50℃范圍內溫度對靈敏度的影響應作為頻率的函數給出[3]。由于戶外噪聲監測裝置長期安放于復雜氣候環境下，溫濕度、降雨等氣候因素都會對傳聲器的性能產生影響。在這些方面，國內外曾有部分學者進行過研究，討論了氣壓和溫度等對傳聲器性能變化的影響，給傳聲器設計制造提供了技術參考[4]。Yasuno等[5]討論了在溫度影響下，以滌綸樹脂（PET)和全氟乙烯丙烯共聚物（FEP)為膜片材料的傳聲器頻響特性，吳宗漢等[6]從設計生產的角度分析了影響駐極體電容傳聲器的主要因素。隨著ANSYS等商業化軟件的應用，數值分析方法給傳聲器溫度特性的研究帶來了便利。本文在研究現有性能評價方法和傳聲器結構的基礎上，使用有限元方法分析了傳聲器膜片在-20～50℃的熱應變，并結合溫度環境實驗討論了溫度對傳聲器靈敏度和頻響特性的影響。

1 傳聲器特性

傳聲器按換能形式，可以分為動圈式、電容式、碳粒式和壓電式等。其中電容傳聲器因其頻響范圍寬、靈敏度高、瞬態響應好、非線性失真小而得以廣泛應用。常見的電容傳聲器結構模型如圖1所示。

傳聲器主要工作部分為振膜到背極板，經過極化處理，振膜和背極板構成了一個平板電容器，當振膜受到聲音激發時產生振動，從而在兩極板之間產生相應的電容變化，通過電容的改變量就得出了作用在膜片上的聲壓大小[7]。

圖1 常見電容傳聲器結構模型

普通電容傳聲器的靈敏度K與結構參數之間的關系[8]可以表示為

式中：A——常數；

Eb——駐極體電壓；

Sd——振膜等效剛度；

Sb——背極板后空腔等效剛度；

gm、RL——互導和負載電阻，為轉換電路的電學特性指標。

根據上式，溫度對傳聲器性能的影響主要體現在Sd、Sb、gm和RL上。換言之，在溫度發生變化時振膜材料的剛度變化和電路的電學特性變化是傳聲器靈敏度變化的主要因素。由于傳聲器材料特性不同，將呈現出不同的靈敏度應變特征。以下將通過有限元分析和環境模擬實驗，討論溫度變化對傳聲器性能的影響。

2 膜片的熱應變分析

在電容傳聲器制作中，膜片通常采用FEP材料繃緊膠粘于金屬環上切割而成，膜片張力需預設至指定大小以滿足實際需要[9]。當溫度發生變化時，傳聲器膜片產生的熱應力會改變膜片張力的大小，這是導致傳聲器靈敏度隨溫度發生改變的原因之一[10]。因此對傳聲器膜片進行熱應變的有限元計算，計算結果與環境實驗結果相互驗證，可以得到不同溫度對傳聲器靈敏度及頻響特性的影響。

對傳聲器膜片結構進行建模并劃分網格，結構尺寸按照GB/T 20441.4——2006中WS2P/F/D型傳聲器的標準尺寸進行建模。本模型屬于多體結構，膜片與外殼為同一零件的不同體，需將二者進行拓撲分享后再劃分網格，這樣才能使零件網格連續。由于傳聲器膜片極薄（20μm)，建模時網格劃分密度不宜過大以免影響計算精度，實際劃分時采用0.1mm六面體網格進行劃分。為便于計算，模型將背極板等不影響膜片熱分析結果的部分進行了簡化，網格劃分結果如圖2所示。膜片材料為FEP，其特性如表1[11]所示。

將標準測量傳聲器規范工作于-10～50℃溫度范圍的下限擴展至-20℃，即-20～50℃作為實驗溫度范圍。每10℃為一點共8個溫度點，模擬膜片在不同溫度下受到1 Pa均勻壓力作用下的形變分布情況如圖 3所示，由于在 10，20，30，40℃時形變不明顯，因此僅給出-20，-10，0，50℃下膜片的形變分布。其應變最大/最小值分布曲線如圖4所示。

圖2 網格劃分

表1 FEP材料特性

圖3 膜片形變分布

圖4 應變最大/最小值曲線

隨著傳聲器應變增大，其所受張力變小，導致靈敏度降低，所以在溫度作用下膜片的應變發生改變從而導致張力變化影響靈敏度，并且該現象在低溫環境下更為顯著。

3 環境模擬實驗

實驗有兩種方式：以初始溫度（20℃)為起點，先降至-20℃再升溫至50℃稱為升溫實驗；先升至50℃再降溫至-20℃稱為降溫實驗。

因實驗箱在非工作狀態下未與外界隔絕，內部存在水汽。若先進行升溫實驗，溫度較低時實驗箱內結霜，冰霜融化覆蓋在傳聲器膜片上影響準確性，并在溫度升高的過程中水汽蒸騰造成箱內濕度過大，此時傳聲器靈敏度變化是在溫度和濕度共同影響下的結果，無法對數據進行有效分析。因此，實驗時先將恒溫箱預熱至50℃，待箱內濕度降低到較低水平時進行實驗，最大限度地避免濕度對實驗結果的影響。

3.1 傳聲器的穩定性

選擇結構相同、頻率范圍及動態范圍相近的3支不同廠商生產的戶外傳聲器（以A、B、C編號)，分別進行3次溫度變化實驗，記錄數據后分析實驗結果。所有傳聲器均在干燥箱中存放超過一年以上，期間3次校準測試靈敏度結果如表2所示。

表2 3次校準測試靈敏度結果 mV/Pa

3次測試間隔時間均為3個月以上，測試結果表明3支傳聲器性能穩定，保證實驗結果可靠。

實驗前，使用靜電激勵器對3支傳聲器頻響曲線進行測試，測試結果如圖5所示。可以看到，戶外傳聲器的頻率范圍上限較低，在頻率為20～8000Hz的范圍內基本平坦，在8 000 Hz以上的范圍衰減較為明顯。

3.2 模擬實驗結果

將3只1/2 in（1 in=0.025 4 m)傳聲器同時放入恒溫箱，將溫度調整為50℃，靜置2h后進行第1次測試，然后依次降溫到 40，30，20，10，0，-10，-20℃，重復3次后得到測試傳聲器靈敏度隨溫度變化的插值曲線如圖6所示。

圖5 傳聲器頻響曲線

圖6 靈敏度隨溫度變化插值曲線

該結果與應變曲線進行對比，可以看到在20℃以下應變曲線隨溫度降低而變大，靈敏度降低；20℃以上時，雖然隨溫度升高應變增大，但靈敏度略有起伏，即二者之間為非線性關系，說明此時除膜片張力變化外有其他因素影響了傳聲器的靈敏度。

測試在-20，-10，20，50℃時傳聲器 A 的頻響特性，得到在不同溫度下，傳聲器A的頻響特性變化曲線如圖7所示。

圖7 不同溫度下傳聲器A頻響特性變化曲線

圖中縱坐標軸為靈敏度修正值（校準值減實測值，低溫校準值大于實測值，即靈敏度降低；高溫時受到除溫度以外因素的影響但總體呈現靈敏度升高)。可以看出，傳聲器在戶外環境下工作時，傳聲器頻響特性隨溫度變化而改變，這將可能導致噪聲測試結果出現誤差。在戶外工作環境下，測量誤差可能比實驗室測量誤差更大。

4 結束語

戶外傳聲器因其工作條件的特殊性需考慮其氣候環境適應性，否則將可能造成結果不可靠并且影響設備實際使用壽命。本文在現有傳聲器校準方法和結構設計的基礎上，探討了影響傳聲器靈敏度變化的主要因素，通過有限元方法得出了溫度對傳聲器膜片張力的影響。有限元結果與傳聲器的環境模擬實驗相結合為今后戶外傳聲器設計制造提供了技術參考。

[1]王琳娜，景妮琴，吳國喬.通過揚聲器振膜位移測試頻響曲線[J].中國測試，2013，39（5)：31-33.

[2] 戰豐豐.傳聲器在復雜環境中的應用研究[D].太原：中北大學，2010.

[3] 測量傳聲器 第4部分：工作標準傳聲器：GB/T 20441.4-2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[4]商玉芬，張美娥，肖鑒.電容傳聲器聲壓靈敏度校準的氣壓修正[J].聲學技術，1988（1)：13-18.

[5]YASUNO Y，OHGA J.Temperature characteristics of electret condenser microphones[C]∥International Symposium on Electrets IEEE.IEEE，2006.

[6]吳宗漢.振膜系統材料特性對傳聲器相關特性影響分析[J].電聲技術，2009，33（10)：17-19.

[7] 郭淑菊.電容傳聲器的建模及性能分析[D].太原：中北大學，2016.

[8]MIURA K，YASUNO Y.Long-term sensitivity changes in electret condenser microphones[J].Journal of the Acoustical Society of Japan，2011，18（1)：29-35.

[9]吳宗漢.駐極體電容傳聲器溫度特性分析和改進對策[J].電聲技術，2010，34（5)：22-26.

[10]傳聲器通用技術條件：GB/T 14198-1993[S].北京：中國計量出版社，1993.

[11]成云平，武文革，杜曉軍，等.嵌入式薄膜微傳感器的ANSYS分析與應用[J].制造技術與機床，2014（6)：134-137.

Research on the temperature characteristics of microphone of noise monitoring system

GUI Gui， YAO Xiaobing， E Zhiqun， ZHANG Haiding， WAN Yupeng， XIE Rongji
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

Aiming at the problem of the temperature variation has a great influence on the performance of the microphone which may lead to deviation of noise measurement results，on the basis of the research on the existing performance evaluation methods and structure of outdoor microphone，the analysis of microphone diaphragm tension influence factors and thermal strain finite element analysis for condenser microphone diaphragm were carried out in this paper.After thatthe temperature environmenttestofthree differentmicrophones wascarried out， the characteristic curves ofmicrophone sensitivity and frequency response were obtained with temperature range of-20-50℃.The test shows that finite element results are in conformity with environmental test results and have certain theoretical guidance significance for design，manufacture and application of outdoor microphone.

condenser microphone； temperature characteristic； finite element； environmental experiment

A

1674-5124（2017）10-0123-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.024

0 引 言

隨著戶外噪聲污染問題日益受到關注，我國大部分城市陸續安裝戶外噪聲監測裝置用于監測環境噪聲。因地域不同，氣候條件差異較大，戶外傳聲器在工作過程中受溫濕度變化、霜凍降雨、風沙灰塵等影響會有一定的性能改變，在氣候惡劣晝夜溫差較大的地區更為嚴重[1]。傳聲器的薄膜狀結構在熱脹冷縮的作用下會發生改變，因此研究戶外傳聲器的溫度特性對實際使用具有指導意義。

2017-05-15；

2017-06-24

四川省科技支撐計劃（2013GZ0010)

桂 桂（1989-)，男，河南洛陽市人，助理工程師，碩士，研究方向為聲學測試技術與儀器。

（編輯：李妮）