电声测量之常用校准测量传声器的校准方法

小香 · 发表于 2010-1-3 22:36:34

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电声测量之测量传声器校准的方法目前声压大多是用传声器来测量，要准确测量声压就必须用灵敏度严格校准的传声器。
校准传声器的灵敏度常用的方法有耦合腔互易法，自由场互易法，活塞发生器法和标准声源法。
耦合腔互易法用来校准传声器的声压灵敏度，自由场互易法校准传声器声场灵敏度。通过大量的研究工作，耦合腔互易法已经达到了较高的准确度，国际标准组织已经建议将其作为传声器的绝对校准的标准方法。另外还有用于现场校准的标准声源法，其校准准确度较低。
耦合腔互易法
在耦合腔互易校准中，可以用三个传声器，其中两个必须是可逆的。或者用一个辅助声源和两个传声器，其中一个传声器也必须是可逆的。
在第一种方法中，用两个传声器耦合到耦合腔，其中一个用作发射器，另一个用作接收器。由接收器的开路输出电压和发射器的输入电流的比值可以导出计算两个传声器的声压灵敏度的乘积的公式。如果互换传声器，进行三组测量并比较测量结果就可以求出每个传声器的声压灵敏度。
在第二种方法中，用辅助声源在耦合腔内建立一个恒稳的声压，这时两个传声器输出电压的比值等于在声压相同的情况下，两个传声器声压灵敏度的比值。
下图给出了耦合腔互易校准的主要过程，其中的三个换能器，1为可逆传声器，2为待校传声器，3为辅助换能器。上述两种方法的校准步骤如下：
① 将传声器1，2放入耦合空腔。将传声器1用作声波发射器，传声器2用作接收器。测量出传声器1的驱动电流i1和传声器2的开路电压e2；
② 将换能器3、传声器2放入耦合空腔。换能器3用作声波发射器，传声器2用作接收器。测量出换能器3的驱动电流i和传声器2的开路电压；
③ 将换能器3、传声器1放入耦合空腔。换能器3用作发射器，并保证驱动电流与前一步骤中的驱动电流相同，传声器1用作接收器；测量出传声器1的开路电压；这时，待校传声器的声压灵敏度为

式中V0为耦合腔容积和传声器等效容积之和；；P为大气压。
应该注意，由于电容传声器的输出阻抗很大，即使采用阴极输出器作其负载，仍有一定的衰减。同一个传声器，若用不同的阴极输出器，其读数不同。因此，通常采用替代法（插入电压法）来测量传声器头的开路电压以计算开路灵敏度，从而与阴极输出器无关。
作精密校准时，应该对耦合空腔容积、高频效应、热传导和毛细管等效应作修正。IEC—R327（1971）对1’’电容传声器的绝对校准规定了耦合腔尺寸和各项修正值。校准的准确度和测量系统的准确度有关。如果对各项因素保证给定的准确度，则总的校准准确度在低频和中频时大约可达0.05dB，随着频率增高，校准准确度降低，到10kHz时大约下降为0.1dB。
为了扩大校准的频率范围，耦合空腔应该做得小些，并可充入氢气。由于氢气中的声速较大，故可扩展校准的频率范围。例如，对于0.3cm3的耦合空腔的允许进行校准频率范围为20~20kHz，如耦合空腔内充入氢气则可以将高频范围扩展到60kHz。对于20cm3的耦合空腔充入氢气后校准，则允许进行校准的频率上限就可提高到15kHz。
注意，以上描述的耦合腔互易校准法的具体内容在国际电工委员会（IEC）制定的两项标准：IEC 1094-1（声压校准）和IEC 1094-3（自由场校准）中已详细给出。

图1 耦合腔互易校准方法示意图
自由场灵敏度的校准
传声器的自由场灵敏度校准应该在消声室内进行，通常用自由场互易法。校准方法与耦合腔法类似，待校准的传声器不必是可逆的，但需要使用一个辅助的可逆换能器。其校准过程示于图2。校准的步骤如下：
先以辅助的可逆换能器用作声源，送入电流iT，测量放在距离d处作接收用的校准传声器2的开路电压e2，然后用一个恒定输出的辅助声源3作发射器，将传声器1，2放在该声源产生的声场中相同的点，其距离d’应该足够大，以保证通过该点的声波是一平面波，测量出两个传声器的开路电压和。
于是，得到待校准传声器的自由场灵敏度为

式中为空气衰减系数。
因此，由测量比值，和距离d可以准确地校准传声器。IEC-R486（1974）给出了空气衰减随频率、温度和相对湿度变化的关系。
自由场互易校准的准确度与测量系统的准确度有关。如果能保证电容传声器极化电压的准确度为0.05%，空气密度数值的准确度为0.1%，频率的准确度为0.1%，距离的准确度为0.5%，空气衰减的准确度为0.02dB，则总的校准准确度在中频时大约为0.1dB；随着频率增高，准确度就下降，到20kHz时，准确度大约为0.2dB。在上述自由场互易校准参量推导中，忽略了传声器对声波散射的影响。这种影响对高精度的校准，特别是在高频校准时是不能忽略的。也就是说，当两个传声器相对放于自由场中时，传声器2接收到的除了传声器1直接辐射的自由场声压以外，还有通过传声器2和传声器1之间往返散射所引起的声压。如果声场中稍有反射，准确度将大为降低，若将两传声器膜片稍为偏离平行位置则可避免声波在两传声器之间来回反射。

图2 自由场互易校准方法示意图
活塞发生器的校准
实际常用的标准声源有两类：活塞发生器和声级校准器。活塞发生器包括一个刚性壁空腔，空腔内的一端用来装待校传声器，另一端则装有圆柱形活塞。活塞用凸轮或弯曲轴推动作正弦运动，测定活塞运动的振幅就可以求出腔内声压的有效值。活塞发生器运动的频率上限为机械振动的允许速度所控制。故仅适用于低频校准，典型的参量为：频率为250Hz，声压级为124dB，其准确度大约可达±0.2dB。

用活塞发生器校准传声器灵敏度的方法很简单，先使待测传声器与活塞发生器耦合，接通活塞发生器的电源，使它在传声器的膜片前产生一个恒定的声压。这时传声器的输出经放大器放大后，可以用电压表来测量给定声压级的输出电压。然后断开活塞发生器，将和活塞发生器产生的声压频率相同的电压串接入传声器极头的输出端，调节电压大小以获得相同的输出电压，这时传声器在该频率的灵敏度就是串接的电压和所加声压的比值。校准应该在标准大气庄下进行，如果大气压不同，应该进行修正。图3给出使用活塞发生器时气压的修正曲线。

图3 使用活塞发生器时气压的修正曲线
用已校准的测量传声器来测量声压都是通过测量传声器开路电压换算而得的，仪表的设计常常使灵敏度为50mV/Pa的传声器读数与实际测得的声压一致。对于灵敏度不是50mV/Pa的传声器用K值来修正。这样，已知传声器的K值，读出声压级就很方便。当传声器置于声场中，测得的声压级应该是：
仪表量程范围读数（dB）+量程倍程数（dB）+表头读数（dB）+传声器的K值（dB）。
传声器的K值可以用活塞发生器测量，如果腔内产生的信号频率为250Hz，声压级为124dB，那么传声器的K值就等于124dB减去传声器放大器的电表读数（dB）。

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