表面传声器校准装置

陈文王 陈继红 周子炜 邹文哲 / ．上海市计量测试技术研究院；．上海理工大学

表面传声器校准装置

陈文王1陈继红1周子炜1邹文哲2/ 1．上海市计量测试技术研究院；2．上海理工大学

针对大飞机制造和汽车工业的噪声测试需求，结合表面传声器校准的研究现状，研制了表面传声器校准装置。介绍了该装置的工作原理、总体设计方案、主要组成部分和创新点。该装置通过专用静电激励器和声校准器转接器的设计，实现了表面传声器声压灵敏度级的测量。系统结构简单、成本低廉，实现了表面传声器的快速校准，填补了华东地区相关检测的空白。

表面传声器；灵敏度级；频率响应；校准装置

0 引言

空气动力噪声是指气流内部运动或气流与物体相互作用时所产生的噪声，其在飞机噪声和机动车噪声中占主导地位。当今社会，噪声污染日益严重，许多国家均已制定相关标准对其进行限制，降低空气动力噪声一直是机动车行业和航空领域的研究热点[1,2]。

表面传声器是针对空气动力噪声测量的特殊传声器，被广泛应用于机动车或飞机表面的噪声声压测试。为了满足空气动力噪声测试的特殊要求，表面传声器的机械尺寸和电声特性均经过专门设计，导致其无法与现有的工作标准传声器校准装置紧密耦合，量值难以溯源。为保证表面传声器量值的准确可靠，实现其可靠溯源，本项目研制了表面传声器校准装置。

1 表面传声器校准装置测量原理

参照JJG 175-2015 《工作标准传声器（静电激励器法）》检定规程中给出的校准方法对表面传声器的灵敏度级和相应频率响应进行校准[3-5]。

1.1 参考频率点灵敏度级的测量

在参考频率（通常取250 Hz）处，使用声校准器进行表面传声器声压灵敏度级的校准[6,7]。

将被检表面传声器与声校准器的腔体紧密耦合，使其参考轴处于与水平面成90°的位置，接通声校准器的电源，读取表面传声器测得的声压级，并根据式（1）计算出被检表面传声器的声压灵敏度级。

式中：Lpx——被检传声器的声压灵敏度级，dB；

Lpc——声校准器的声压级校准值，dB；

Lpi——测得声压级的平均值，dB；

ΔK——声校准器的静压修正值，dB；

Δβ——前置放大器的传输损失，dB；

ΔP——腔体积修正值，dB

1.2 灵敏度级频率响应的测量

在1/3倍频程频率处，使用静电激励器进行表面传声器声压灵敏度级的校准，得到灵敏度级的频率响应[8,9]。

去掉被检表面传声器的保护栅，将静电激励器置于传声器表面上方，使其参考轴处于与水平面成90°的位置。按1/3倍频程频率点，调节信号发生器的幅度，测得被检表面传声器的静电激励器响应。通过计算被检频率上的静电激励器响应与参考频率上的静电激励器响应之比，可得被检表面传声器的静电激励器响应级。根据传声器制造商提供的静电激励器频率响应级和声场频率响应级的修正值，可得被检传声器的灵敏度级频率响应。

2 校准装置的组成

根据测量原理，结合表面传声器特殊的机械尺寸和电声特性，确定本装置的主要研究内容为声校准器转接器、静电激励器和支架的设计。该装置中要求实现表面传声器与声校准器腔体的紧密耦合，以及表面传声器与静电激励器的稳定平行。本装置由参考频率处声压灵敏度级校准所需的参考频率点灵敏度级校准装置和1/3倍频程频率处声压灵敏度级频率响应校准所需的静电激励器法装置两部分组成。

2.1 参考频率点灵敏度级的测量装置组成

表面传声器校准装置的参考频率点灵敏度级测量部分由声校准器、表面传声器专用的声校准器转接器和宽频音频分析仪组成，如图1所示。

图1 参考频率点灵敏度级校准装置组成

在测量过程中，使用声校准器转接器将表面传声器紧密耦合于声校准器，接通声校准器的电源，使用宽频音频分析测得表面传声器的声压级，并根据式（1）计算得到表面传声器的声压灵敏度级。

该装置的关键是声校准器转接器的设计。表面传声器结构的特殊性使其无法与声校准器紧密耦合，导致其灵敏度级的计算无法通过式（1）得到。通过设计声校准器转接器，本装置实现了表面传声器与声校准器的紧密耦合，保证了参考频率处声压灵敏度级的准确测量和计算。声校准器转接器的设计如图2所示。表面传声器转接器通过螺纹和平板将被测表面传声器紧密耦合于声校准器。声校准器转接器中使用了绝缘环，可保证表面传声器膜片在紧密耦合的过程中不受损。通过对声校准器转接器尺寸的准确测量，可得到连接表面传声器后，声校准器的腔体积修正值ΔP = 0.07 dB。

图2 声校准器转接器结构

2.2 灵敏度级频率响应的测量装置组成

表面传声器校准装置的灵敏度级频率响应测量部分由信号发生器、静电激励器电源、静电激励器、表面传声器支架和宽频音频分析仪组成，如图3所示。

图3 灵敏度级频率响应校准装置组成

在测量过程中，将表面传声器置于支架上，膜片向上，将静电激励器置于表面传声器上方，使其与表面传声器膜片保持平行，接通静电激励器电源，在1/3倍频程频率点，调节信号发生器的幅度，用宽频音频分析仪测得被检表面传声器的静电激励器响应。通过计算可得表面传声器的灵敏度级频率响应。

该装置的关键是静电激励器的设计。表面传声器的前置放大器与传声器膜片在同一平面上，其结构的特殊性使其无法与校准工作标准传声器时所使用的静电激励器相匹配。本装置通过准确测量表面传声器的尺寸，设计了可与其紧密耦合的静电激励器，实现了灵敏度级频率响应的校准。静电激励器的设计，如图4所示。

图4 静电激励器示意图

3 测试结果与讨论

在表面传声器校准装置搭建完成后，选择市场上常见的表面传声器——丹麦B&K公司生产的4949作为测试样品对装置进行测试。另外，将该样品送至中国计量科学研究院进行校准，通过比对结果的一致性对装置技术指标进行验证。

3.1 参考频率处的声压灵敏度级

使用参考频率点灵敏度级校准装置对4949型表面传声器的灵敏度级进行测量。将样品通过声校准器转接器紧密耦合于声校准器上，接通声校准器电源，使用宽频音频分析测得表面传声器的声压级，根据式（1）计算得到样品的声压灵敏度级。重复上述过程三次，取三次结果的算数平均值作为表面传声器的声压灵敏度级。测量结果见表1。

表1 参考频率点处声压灵敏度级

中国计量科学研究院校准报告中给出的参考频率处的声压灵敏度级为-39.28 dB。使用本装置校准得到的声压灵敏度级与中国计量科学研究院数据有较强的一致性，由此可得出结论，本校准装置能够对表面传声器的声压灵敏度级进行准确校准。

3.2 1/3倍频程点的灵敏度级频率响应

使用静电激励器法校准装置对4949型表面传声器的灵敏度级频率响应进行测量。将样品置于支架上，膜片向上，将静电激励器置于表面传声器上方，使其与被测样品的膜片保持平行，接通静电激励器电源，在1/3倍频程频率点，调节信号发生器的幅度，用宽频音频分析仪测得被检表面传声器的静电激励器响应。通过计算得到表面传声器的灵敏度级频率响应，测量结果见图5。

图5 灵敏度级频率响应

将图5的灵敏度级频率响应与中国计量科学研究院的校准数据进行比对，采用计算En值的方式对表面传声器校准装置的技术指标进行考核，见式（2）。

表2 灵敏度级频率响应的比对结果

4 结语

表面传声器在航空领域和机动车行业有着广泛应用，但由于其特殊性，其量值溯源一直存在问题。本项目所研制的表面传声器校准装置综合考虑表面传声器机械尺寸和电声特性的特殊性，设计了专用的声校准器转接器和静电激励器，实现了表面传声器与校准装置的紧密耦合，计算了声压级的腔体积修正数据，完成了表面传声器灵敏度级和灵敏度级频率响应的校准，保证了其量值溯源的准确可靠。该装置的建成对完善上海和华东地区的量值溯源体系有重要意义。

[1]鞠龙华，葛剑敏，郭彦婕. 基于多声源模式的高速铁路噪声预测模型[J]. 同济大学学报（自然科学版），2017，45（1）：58-63.

[2]卢力. 我国环境噪声预测中存在的问题以及拟解决的方法[C]. //全国环境声学学术讨论会，宁波，2007：68-70.

[3]全国声学计量技术委员会. JJG 175-2015 工作标准传声器（静电激励器法）检定规程[S]. 北京：中国质检出版社，2015.

[4]全国声学计量技术委员会. JJG 1019-2007 工作标准传声器（耦合腔比较法）检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，2007.

[5]国际电工委员会. IEC 61094-5：2016用比较法对工作标准传声器声压校准方法[S]. 日内瓦：国际电工委员会，2016.

[6]章句才. 关于用静电激发器校准电容传声器的精度[J]. 电声技术，1981（01）：52-56.

[7]安兆亮，胡央丽，周子炜. 声学测试中需要明确的一些概念[J].上海计量测试，2014（3）：52-53.

[8]张宝峰，许智钦，王宇华，等. 测试电容传声器声压灵敏度校准方法的研究[J]. 天津大学学报，2001（04）：521-524.

[9]Barrera-Figueroa S，Moreno Pescador G，Jacobsen F，et al. An investigation on methods for free-field comparison calibration of measurement microphones[C]. INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings，Lisbon，2010（10）：5330-6231.

Calibration device of surface microphone

Chen Wenwang1，Chen Jihong1，Zhou Ziwei1，Zou Wenzhe2
（1.Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology；2.University of Shanghai for Science and Technology）

Targeting at the noise testing demand in aircraft manufacturing and automobile industry，based on the research status of surface microphone calibration, the calibration device of surface microphone is developed. The working principle, the overall design scheme, main components, and the innovation points of the device are summarized. A dedicated electrostatic actuator and a sound calibrator adapter is designed to calibrate the sensitivity of sound pressure level of the surface microphone. The device is simple, low cost, and ef fi cient, which fi lls the gaps in the detection of surface microphone in the East China region.

surface microphone; sensitivity of sound pressure level; frequency response; calibration device