平面傳聲器動態特性參數校準方法研究

劉 鑫 楊曉偉 呂舒婷 朱 剛 張俊祺 趙化業 羅兆明 戴宜霖

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.首都航天機械有限公司，北京 100076)

1 引 言

傳聲器又被稱作電聲換能器，可將聲信號轉化為電信號輸出，是空氣聲學測試不可缺少的工具，被廣泛應用于國防空氣聲參數的測試、研究和試驗。例如利用傳聲器對飛行器及有關分系統進行氣動噪聲試驗和測試，確定其聲學環境特性，可有效提高飛行器的安全性和可靠性。平面傳聲器作為專門針對飛行器的結構特點設計的聲學測試設備，可以嵌平安裝在飛行器表面，在實際飛行過程中實時監測飛行器在飛行過程中所受氣動噪聲變化情況，判斷飛行器表面結構聲學疲勞的程度，提高飛行器實際飛行過程中的安全性和可靠性。平面傳聲器的頻率響應特性、幅值特性及指向特性等動態特性對判斷飛行器噪聲測試結果至關重要。

本文將系統介紹傳聲器校準技術的國內外發展現狀，并對平面傳聲器動態特性校準技術進行探討，提出基于自由場環境下的平面傳聲器特性參數校準方法，實現對平面傳聲器頻率響應特性、幅值特性及指向特性等動態特性的校準。

2 測試傳聲器校準技術國內外現狀

目前國內外測試傳聲器校準主要有三種方法：聲校準器法、自由場替代法以及靜電激勵器法。

2.1 聲校準器法

聲校準器是一種標準計量器具，它產生一定頻率的聲壓級，在其腔體內形成聲壓場，通過它把聲耦合到傳聲器上。校準時，將被校傳聲器與聲校準器空腔緊密耦合，通過傳聲器的輸出電壓與聲校準器施加在傳聲器膜片上聲壓計算得出傳聲器的開路聲壓靈敏度級。

聲校準器腔體內聲場的任何位置上聲壓級的幅值和相位都相同，是理想的壓力場，傳聲器壓力場靈敏度就是在這種聲場下的靈敏度。由于聲校準器產生聲壓的頻率固定，一般為250Hz或1kHz，而且聲校準器腔體尺寸固定，因此這種方法只適用于對特定尺寸的傳聲器進行單一頻率下的校準。聲校準器法校準裝置原理圖如圖1所示。

圖1 聲校準器法校準裝置原理圖

2.2 自由場替代法

自由場替代法是在自由場環境下對傳聲器進行校準，一般在消聲室或消聲箱中進行。聲源和標準傳聲器同軸放置在消聲室中的適當位置，并測量標準傳聲器與聲源之間的距離，啟動聲源發射聲波，記下標準傳聲器的輸出電壓；保持聲源的狀態不變，用被校傳聲器替代標準傳聲器，記下被校傳聲器的輸出電壓；通過被校傳聲器與標準傳聲器的輸出計算得出被校傳聲器的開路自由場靈敏度級。

校準過程中要求傳聲器外形尺寸和大小不能影響聲源輸出聲壓信號的穩定，標準傳聲器和被校傳聲器外形尺寸一致為最佳。自由場替代法校準裝置原理圖如圖2所示。

圖2 自由場替代法校準裝置原理圖

2.3 靜電激勵器法

靜電激勵器是一種開槽的而又非常平的平板形器件，可用于定點或自動掃描測量電容傳聲器在整個頻率范圍內的響應，也可用于測量電容傳聲器的絕對靈敏度。校準時，靜電激勵器安裝在傳聲器膜片上面，與傳聲器膜片保持特定的距離。在開槽柵格板和膜片之間加上極化電壓并串接聲頻信號電壓，由兩者之間的電場力推動膜片運動，這種作用類似于聲壓條件下聲波的作用。對于不同尺寸的電容傳聲器，可用不同尺寸的靜電激勵器測量。靜電激勵器法校準裝置原理圖如圖3所示。

圖3 靜電激勵法校準裝置原理圖

靜電激勵器產生的力和信號頻率無關，可以對電容傳聲器頻率響應進行校準，頻率范圍上限可達到200kHz。但由于柵格板與膜片間的距離測量或計算不能很精確，用靜電激勵器絕對校準傳聲器的準確度很難優于±1.5dB。因此靜電激勵器法非常適合校準電容傳聲器的頻率響應。

3 平面傳聲器動態特性校準技術探討

上述三種校準方法所提及的校準設備對被校測試傳聲器的工作原理、結構尺寸及安裝方式均有嚴格的要求。由于平面傳聲器與通用傳聲器的結構尺寸及安裝方式有很大差異，無法直接利用上述校準設備對平面傳聲器的頻率響應特性、幅值特性及指向特性等動態特性進行校準。通過對平面傳聲器結構特性和應用環境的分析可知，平面傳聲器大多在自由場環境下使用，目前國內外還沒有關于平面傳聲器在自由場環境下量值溯源方面的報道，因此本文提出了平面傳聲器動態特性校準方法，以解決平面傳聲器實際使用環境下動態特性校準的問題。

平面傳聲器動態特性校準在消聲室內進行，消聲室模擬平面傳聲器實際使用環境，為其提供自由場無反射聲學環境；通過改變聲源的頻率和聲壓級，實現平面傳聲器頻率響應特性和幅值特性的校準；在保持聲源頻率和聲壓級穩定的情況下，通過指向特性旋轉裝置帶動平面傳聲器轉動特定的角度，實現平面傳聲器指向特性的校準。平面傳聲器動態特性校準裝置原理圖如圖4所示。

圖4 平面傳聲器動態特性校準裝置原理圖

3.1 平面傳聲器自由場靈敏度級校準

將聲源和標準傳聲器安裝在消聲室的適當位置，要使標準傳聲器與聲源同軸放置，并測量標準傳聲器與聲源之間的距離，啟動聲源發射聲信號，記下標準傳聲器的輸出電壓；然后保持聲源的頻率和聲壓級不變，用平面傳聲器替代標準傳聲器，記下平面傳聲器的輸出電壓；將平面傳聲器與標準傳聲器的輸出電壓數值相比，可以通過公式(1)計算得出平面傳聲器的自由場靈敏度級。

(1)

式中：

L

——平面傳聲器自由場靈敏度級；

L

——標準傳聲器自由場靈敏度級；

U

——標準傳聲器輸出電壓；

U

——平面傳聲器輸出電壓。

3.2 平面傳聲器頻率響應特性校準

平面傳聲器頻率響應特性為平面傳聲器自由場靈敏度與頻率之間的關系。當聲源頻率發生變化時，平面傳聲器的自由場靈敏度在頻率變化范圍內波動。

按1/3倍頻程在校準頻率范圍內選取校準頻率點，調節聲源頻率，參照平面傳聲器自由場靈敏度級校準方法，分別測量標準傳聲器和平面傳聲器的輸出電壓，利用公式(1)計算得出不同頻率下的自由場靈敏度級。自由場靈敏度級頻率響應偏差按公式(2)計算。

ΔL

=

L

-

L

(2)

式中：

ΔL

——平面傳聲器自由場靈敏度級頻率響應偏差；

L

——平面傳聲器自由場靈敏度級；

L

——平面傳聲器參考自由場靈敏度級。

3.3 平面傳聲器幅值特性校準

平面傳聲器幅值特性是平面傳聲器自由場靈敏度與聲壓級之間的關系。當聲源的聲壓級發生變化時，平面傳聲器的自由場靈敏度在聲壓級變化范圍內波動。

在校準聲壓級范圍內選取6個聲壓級，保持頻率不變，調節聲源聲壓級，參照平面傳聲器自由場靈敏度級校準方法，分別測量標準傳聲器和平面傳聲器的輸出電壓，利用公式(1)計算得出各聲壓級下的自由場靈敏度級，自由場靈敏度級線性偏差按公式(3)計算。

ΔL

=

L

-

L

(3)

式中：

ΔL

——平面傳聲器自由場靈敏度級線性偏差；

L

——平面傳聲器自由場靈敏度級；

L

——平面傳聲器參考自由場靈敏度級。

3.4 平面傳聲器指向特性校準

平面傳聲器指向特性是平面傳聲器自由場靈敏度級與聲波入射角之間的關系。平面傳聲器自由場靈敏度級會隨著聲波的入射方向和平面傳聲器軸向夾角的改變發生變化，由平面傳聲器自由場靈敏度級和聲波入射角繪制而成的極坐標，被稱為平面傳聲器的指向特性圖，由此可以看出，平面傳聲器的實際測量結果與安裝角度具有非常重要的關系，指向特性是評價平面傳聲器工作特性的一個重要指標。

在校準頻率范圍內選取一個頻率點，控制指向特性旋轉裝置帶動平面傳聲器旋轉特定角度，記錄此時聲波入射角，參照平面傳聲器自由場靈敏度級校準方法，測量平面傳聲器的輸出電壓，利用公式(1)計算得出該入射角下的自由場靈敏度級?？刂浦赶蛱匦孕D裝置在旋轉角度范圍內轉動，計算得到相應聲波入射角下的自由場靈敏度級，通過自由場靈敏度級和聲波入射角得到該頻率點下指向特性圖。改變聲源頻率，重復以上操作過程，可以得到平面傳聲器不同頻率下的指向特性圖。

4 校準結果分析與驗證

依據本文提出的校準方法，選取美國PCB公司生產型號為130B40型平面傳聲器作為校準對象，對其自由場靈敏度級、頻率響應特性、幅值特性及指向特性進行校準，校準結果見表1～5所示。通過對校準結果不確定度進行分析評定，與中國計量科學研究院和美國PCB公司依據聲校準器法給出的校準結果進行驗證，不同校準方法得出的校準結果存在偏差，但偏差未超出測量不確定度范圍，表明本文提出校準方法合理可信，驗證結果見表6。

表1 平面傳聲器自由場靈敏度級校準結果(頻率:250Hz)Tab.1 thefreefieldsensitivitylevelcalibrationresultofthesurfaceMicrophone(frequency:250Hz)頻率/Hz250250250250250250250250聲壓級/dB68.6668.7268.6568.6868.7068.6368.6568.70自由場靈敏度級(re1V/Pa)/dB-40.79-40.78-40.76-40.80-40.79-40.79-40.80-40.81

表2 平面傳聲器自由場靈敏度級校準結果(頻率:1000Hz)Tab.2 thefreefieldsensitivitylevelcalibrationresultofthesurfaceMicrophone(frequency:1000Hz)頻率/Hz10001000100010001000100010001000聲壓級/dB87.2287.2087.1887.1987.2187.2087.2287.19自由場靈敏度級(re1V/Pa)/dB-41.23-41.23-41.22-41.23-41.23-41.22-41.23-41.21

表3 平面傳聲器頻率響應特性校準結果Tab.3 thefrequencyresponsecalibrationresultofthesurfaceMicrophone頻率/Hz80100125160200250315400500630聲壓級/dB64.6660.9058.3262.0366.6468.6579.0477.6983.7585.59自由場靈敏度級(re1V/Pa)/dB-40.46-40.55-40.48-40.64-40.68-40.79-40.80-40.74-40.82-41.07頻率響應偏差/dB0.770.680.750.590.550.440.430.490.410.16頻率/Hz800100012501600200015003150400050006000聲壓級/dB84.7287.2291.9091.4790.6089.9688.4694.1493.3287.35自由場靈敏度級(re1V/Pa)/dB-41.15-41.23-41.43-41.45-40.91-40.77-41.79-41.60-41.80-40.96頻率響應偏差/dB0.080.00-0.20-0.220.320.46-0.56-0.37-0.570.27

表4 平面傳聲器幅值特性校準結果(頻率:1000Hz)Tab.4thelinearitycalibrationresultofthesurfaceMicrophone(frequency:1000Hz)頻率/Hz100010001000100010001000聲壓級/dB60.1165.0470.1175.0880.1085.09自由場靈敏度級(re1V/Pa)/dB-41.27-41.26-41.25-41.25-41.23-41.23幅值偏差(re80dB)/dB-0.04-0.03-0.02-0.020.000.00頻率/Hz10001000100010001000/聲壓級/dB90.0995.07100.05104.97109.86/自由場靈敏度級(re1V/Pa)/dB-41.23-41.22-41.22-41.22-41.21/幅值偏差(re80dB)/dB0.000.010.010.010.02/

表5 平面傳聲器指向特性校準結果(頻率:1000Hz)Tab.5thedirectivitycalibrationresultofthesurfaceMicrophone(frequency:1000Hz)頻率/Hz1000100010001000100010001000聲壓級/dB94.5894.5994.5794.5894.5694.5894.60角度/°-90-75-60-45-30-150自由場靈敏度級(re1V/Pa)/dB-41.73-41.62-41.55-41.46-41.32-41.25-41.23頻率/Hz100010001000100010001000/聲壓級/dB94.5994.5894.5794.5894.5794.56/角度/°153045607590/自由場靈敏度級(re1V/Pa)/dB-41.29-41.39-41.46-41.53-41.60-41.68/

表6 平面傳聲器校準結果驗證Tab.6 thecalibrationresultvalidationofthesurfaceMicrophone測量單位中國計量科學研究院美國PCB公司本校準方法測量頻率/Hz250250250靈敏度級(re1V/Pa)/dB-40.63-41.1-40.79測量不確定度(k=2)0.24dB/0.42dB

5 結束語

平面傳聲器作為飛行器的專用聲學測試設備可滿足未來飛行器結構無開口、無凸起物的設計要求，滿足在實際飛行過程中對氣動噪聲變化的監測要求，并得到了廣泛應用。通過對平面傳聲器自由場環境下動態特性校準方法的研究，實現了對平面傳聲器實際使用環境下頻率響應特性、幅值特性及指向特性等動態特性的校準，有效的提高了飛行器氣動噪聲測試的準確性和可靠性。