基于雙諧振聲波幅相控制的高聲強級校準

楊曉偉 閆 磊 朱 剛 劉 鑫 白 天

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

2 高聲強級校準技術現狀

聲強測量儀高聲強級校準在國內外一直是難點[4]，主要是在高聲強級條件下如何精確控制兩個傳聲器間的聲壓級和相位差，使二者在一個較寬的動態范圍內的非線性滿足校準要求，目前國內外普遍采用的高聲強校準方法主要有活塞發生器法、消聲室法和行波管法，聲強級通常不超過124dB。

活塞發生器法是常用的方法，具有使用方便，設備簡單的特點。B&K公司 3541型聲強校準儀最具代表性，當活塞發生器和耦合器對接時，平面聲波在上下兩腔室的自由傳播無反射，并有約25°的相位差，兩個腔室中的聲壓級相同而相位不同。當聲強探頭的兩只傳聲器分別位于兩個不同腔室中就形成了一個自由場中傳播的平面聲波的聲強，其聲強級為118dB、251Hz[1]。

在消聲室校準是當前采用的最主要的方法，將聲強探頭放在消聲室(自由聲場)中，聲強探頭軸向與聲源傳播方向一致，用標準傳聲器監測聲壓級，聲源產生的聲波為平面波。該校準由標準傳聲器可溯源至空氣聲壓基準，有較高的準確度，主要用于聲強測量儀的頻率特性校準，最高聲強級為100dB[2]。

行波管法采用一個空心圓管，一端為聲源，另一端是安裝多個毛細管，并為彎弧型，這樣該端面完全吸聲沒有反射，聲強探頭置于行波管內，聲強探頭軸向與聲源傳播方向一致。通過插入一根移動距離可測的裝有標準傳聲器的探頭，用于測量聲壓。當聲源工作時，聲強探頭測得的聲壓和相位差已知，經計算得出聲強級。該方法最大聲強級為124dB，頻率范圍為(100～1000)Hz[4]。

3 基于雙諧振聲波幅相控制的高聲強級校準

3.1 校準原理

如上所述，目前的聲強校準方法無法實現高聲強校準，須使用新的校準方法才能實現高聲強校準。從聲強測量儀的結構特點和測量參數看，聲強測量儀是由兩個相位一致并相距固定間隔的傳聲器組成，兩個傳聲器同時測量聲壓，如圖1所示。聲強分析計算軟件對聲壓梯度積分及必要的計算得出聲強。其計算方法如式(1)。

圖 1 聲強測量儀示意圖Fig.1 A diagram of sound intensity probe

(1)

當Pa、Pb為正弦信號時，式(1)可簡化為

(2)

式中：Pa、Pb——聲壓信號的有效值；ω、φ——分別為信號間的角頻率和相位差,rad/s,(°)；Δr、ρ0——分別為傳聲器間距和空氣密度, m,kg/m3。

寧夏十年九旱，是我國極度干旱缺水的地區之一。多年平均降水量289 mm，蒸發量1 250 mm。當地水資源量少質差、時空分布不均。全區水資源總量11.63億m3，其中地表水資源量9.49億m3。經濟社會發展主要依賴于國家限量分配的黃河水，全區水資源可利用量41.5億m3，人均占有量687m3，不足全國平均值的1/3。按自然地理特點、經濟狀況，全區大體分為北部引黃灌區、中部干旱帶和南部山區。

式(2)表明，聲強級與聲壓級的平方成正比，聲壓級的增大可使聲強級增大，因此高聲壓是產生高聲強的關鍵因素之一。此外，聲強測量儀的兩個傳聲器測得的聲壓信號間須有一個相位差，形成聲壓梯度，使聲壓梯度信號積分不為零，這兩方面是復現高聲強級的基礎，缺一不可。

目前測試傳聲器高聲壓級校準采用的高壓諧振耦合管可產生聲壓級達171dB，失真度不超過0.5%。基本原理是選擇兩個大小不同管子組合在一起可產生與兩個管子原有諧振頻率不同的新諧振頻率(500Hz)，這個諧振頻率與單獨兩個管子的固有諧波不重合，從而可在這個頻率上形成低失真高聲壓的效果[3]。高聲壓級標準傳聲器可選擇B&K公司4941型傳聲器，該傳聲器在170dB聲壓級下非線性僅為0.1dB。選取多支4941型傳聲器進行相位一致性校準，篩選出在使用頻率500Hz處相位差小于0.1°的兩只傳聲器作為高聲壓級標準，聲強可溯源于這對傳聲器。

借鑒上述有關高聲壓源和高聲壓標準傳聲器的技術特點、性能和參數，在充分了解、比較當前國內外先進的聲強校準技術的基礎上，針對校準高聲強級動態范圍寬的特點，創新的采用雙諧振聲波幅相控制的新方法，可實現高聲強級達150dB以上的校準。

雙諧振聲波幅相控制法是指采用兩個基于聲波諧振原理的低失真度高聲壓源和兩只高聲壓標準傳聲器反饋控制兩路聲壓信號的幅值及相位差來模擬平面行波，從而可以精確復現高聲強，原理結構示意圖如圖2所示。

圖2 雙諧振聲波幅相控制原理結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of amplitude-phase control for dual resonance sound waves

3.2 校準裝置

根據雙諧振聲波幅相控制法構建的高聲強級校準系統如圖3所示。

圖3 高聲強級校準系統框圖Fig.3 Frame diagram of high sound intensity lever calibration system

聲強控制器由工控機和NI-4462動態數據采集卡(含兩路可控幅相的輸出信號源)組成，通過動態信號數據采集卡完成標準聲壓信號采集與信號輸出任務，兩只標準傳聲器與聲強探頭兩只傳聲器面“面對面”對稱安裝，測量放大器用于連接標準傳聲器并調節標準聲壓信號放大倍數，以保持最佳信噪比。

由計算機控制信號源輸出兩路同步信號(頻率為500Hz)，經功率放大器驅動兩個獨立的揚聲器，在高聲壓發生裝置A、B內產生諧振聲波，兩只高聲壓標準傳聲器采集聲壓信號，經測量放大器反饋至聲強控制器(計算機控制系統)，計算兩路信號的幅值比和相位差，計算結果更改信號源輸出電壓、頻率和相位，實現兩路諧振聲波的幅值和相位差與目標值一致，由兩路標準傳聲器輸出信號計算出的聲強級為本裝置的標準聲強級，與聲強測量儀測量的聲強級比較，見公式(3)。

ΔI=Im-Is

(3)

式中：Im——聲強測量儀聲強級示值， dB；Is——本裝置復現的標準聲強級， dB；ΔI——聲強測量儀聲強級示值偏差， dB。

校準軟件為全自動化設計，可編輯或載入自動校準流程控制文件，實時顯示校準流程進度，后臺實時采集動態聲信號和輸出控制信號，前面板圖表實時顯示每個測量點的采集計算分析結果，如：頻率、聲強級、失真度、級線性等，設置面板中有：通道設置、參數控制設置、程控適配器通訊設置、濾波器設置、標準傳聲器靈敏度設置、以及傳聲器適配器的增益擋和濾波器設置、報告生成設置等功能。軟件流程如圖4所示。

圖4 全自動軟件流程圖Fig.4 Flowchart of automatic software

4 校準實例與不確定度評估

選定B&K公司3599型聲強測量儀為校準對象，其聲強級測量上限為150dB,目前國內外未有這類測量儀的高聲強級校準報告。采用本裝置首次對該型測量儀進行聲強級范圍(100～150)dB 的校準，校準結果見表1。

表1聲強級幅值校準數據(500Hz)

Tab.1Calibrationresultsofsoundintensitylevel(dB)

隨著聲強級增加聲強測量儀的幅值誤差也逐漸增大，這是因為把高聲壓信號施加到兩個傳聲器通道時，傳聲器膜片會產生運動失真，從而導致傳聲器輸出(幅值和相位)的非線性。聲強測量儀正是通過測量兩傳聲器的輸出，進行積分和必要的計算得出聲強，所以當聲強級增大到一定值時，隨著聲強級的增加，誤差將明顯增大。

表2 不確定度來源表Tab.2 Uncertainty components (dB)

本裝置采用雙諧振聲波幅相控制法屬首次使用，國內外沒有類似的校準裝置，沒有成熟的溯源方法，為了準確掌握高聲強級的校準不確定度，采用現有的量值的溯源手段，對本裝置的關鍵參數進行不確定度評估，對高聲強而言，聲強探頭的傳聲器間的聲壓相位差和聲壓級是主要的不確定度來源，另外大氣壓、環境溫度和濕度也是聲強測量影響量，在聲強級為150dB時，有關的不確定度來源見表2[5]。

上述不確定度分量各自獨立，互不相關，擴展不確定度公式為

校準實例表明了校準裝置高聲強級的校準不確定度選定0.5dB(k=2)是合理可信的。

5 結束語

雙諧振聲波幅相控制法選定兩個基于高壓諧振耦合管原理的高聲壓源；一對經過篩選的、相位差很小的4941型高聲壓標準傳聲器，利用其高性能、高可靠的技術指標，根據高聲強校準的要求，通過精心設計構建的高聲強校準裝置，具有溯源路徑清晰、實施性好和校準結果可靠的特點，成功實現了聲強測量儀的高聲強級(100dB～150dB)校準。最新查新結果表明：國內外沒有雙諧振聲波幅相控制法及高聲強級(大于130dB)校準的相關報道。