平面传声器动态特性参数校准方法研究

刘 鑫 杨晓伟 吕舒婷 朱 刚 张俊祺 赵化业 罗兆明 戴宜霖

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.首都航天机械有限公司，北京 100076)

1 引 言

传声器又被称作电声换能器，可将声信号转化为电信号输出，是空气声学测试不可缺少的工具，被广泛应用于国防空气声参数的测试、研究和试验。例如利用传声器对飞行器及有关分系统进行气动噪声试验和测试，确定其声学环境特性，可有效提高飞行器的安全性和可靠性。平面传声器作为专门针对飞行器的结构特点设计的声学测试设备，可以嵌平安装在飞行器表面，在实际飞行过程中实时监测飞行器在飞行过程中所受气动噪声变化情况，判断飞行器表面结构声学疲劳的程度，提高飞行器实际飞行过程中的安全性和可靠性。平面传声器的频率响应特性、幅值特性及指向特性等动态特性对判断飞行器噪声测试结果至关重要。

本文将系统介绍传声器校准技术的国内外发展现状，并对平面传声器动态特性校准技术进行探讨，提出基于自由场环境下的平面传声器特性参数校准方法，实现对平面传声器频率响应特性、幅值特性及指向特性等动态特性的校准。

2 测试传声器校准技术国内外现状

目前国内外测试传声器校准主要有三种方法：声校准器法、自由场替代法以及静电激励器法。

2.1 声校准器法

声校准器是一种标准计量器具，它产生一定频率的声压级，在其腔体内形成声压场，通过它把声耦合到传声器上。校准时，将被校传声器与声校准器空腔紧密耦合，通过传声器的输出电压与声校准器施加在传声器膜片上声压计算得出传声器的开路声压灵敏度级。

声校准器腔体内声场的任何位置上声压级的幅值和相位都相同，是理想的压力场，传声器压力场灵敏度就是在这种声场下的灵敏度。由于声校准器产生声压的频率固定，一般为250Hz或1kHz，而且声校准器腔体尺寸固定，因此这种方法只适用于对特定尺寸的传声器进行单一频率下的校准。声校准器法校准装置原理图如图1所示。

图1 声校准器法校准装置原理图

2.2 自由场替代法

自由场替代法是在自由场环境下对传声器进行校准，一般在消声室或消声箱中进行。声源和标准传声器同轴放置在消声室中的适当位置，并测量标准传声器与声源之间的距离，启动声源发射声波，记下标准传声器的输出电压；保持声源的状态不变，用被校传声器替代标准传声器，记下被校传声器的输出电压；通过被校传声器与标准传声器的输出计算得出被校传声器的开路自由场灵敏度级。

校准过程中要求传声器外形尺寸和大小不能影响声源输出声压信号的稳定，标准传声器和被校传声器外形尺寸一致为最佳。自由场替代法校准装置原理图如图2所示。

图2 自由场替代法校准装置原理图

2.3 静电激励器法

静电激励器是一种开槽的而又非常平的平板形器件，可用于定点或自动扫描测量电容传声器在整个频率范围内的响应，也可用于测量电容传声器的绝对灵敏度。校准时，静电激励器安装在传声器膜片上面，与传声器膜片保持特定的距离。在开槽栅格板和膜片之间加上极化电压并串接声频信号电压，由两者之间的电场力推动膜片运动，这种作用类似于声压条件下声波的作用。对于不同尺寸的电容传声器，可用不同尺寸的静电激励器测量。静电激励器法校准装置原理图如图3所示。

图3 静电激励法校准装置原理图

静电激励器产生的力和信号频率无关，可以对电容传声器频率响应进行校准，频率范围上限可达到200kHz。但由于栅格板与膜片间的距离测量或计算不能很精确，用静电激励器绝对校准传声器的准确度很难优于±1.5dB。因此静电激励器法非常适合校准电容传声器的频率响应。

3 平面传声器动态特性校准技术探讨

上述三种校准方法所提及的校准设备对被校测试传声器的工作原理、结构尺寸及安装方式均有严格的要求。由于平面传声器与通用传声器的结构尺寸及安装方式有很大差异，无法直接利用上述校准设备对平面传声器的频率响应特性、幅值特性及指向特性等动态特性进行校准。通过对平面传声器结构特性和应用环境的分析可知，平面传声器大多在自由场环境下使用，目前国内外还没有关于平面传声器在自由场环境下量值溯源方面的报道，因此本文提出了平面传声器动态特性校准方法，以解决平面传声器实际使用环境下动态特性校准的问题。

平面传声器动态特性校准在消声室内进行，消声室模拟平面传声器实际使用环境，为其提供自由场无反射声学环境；通过改变声源的频率和声压级，实现平面传声器频率响应特性和幅值特性的校准；在保持声源频率和声压级稳定的情况下，通过指向特性旋转装置带动平面传声器转动特定的角度，实现平面传声器指向特性的校准。平面传声器动态特性校准装置原理图如图4所示。

图4 平面传声器动态特性校准装置原理图

3.1 平面传声器自由场灵敏度级校准

将声源和标准传声器安装在消声室的适当位置，要使标准传声器与声源同轴放置，并测量标准传声器与声源之间的距离，启动声源发射声信号，记下标准传声器的输出电压；然后保持声源的频率和声压级不变，用平面传声器替代标准传声器，记下平面传声器的输出电压；将平面传声器与标准传声器的输出电压数值相比，可以通过公式(1)计算得出平面传声器的自由场灵敏度级。

(1)

式中：

L

——平面传声器自由场灵敏度级；

L

——标准传声器自由场灵敏度级；

U

——标准传声器输出电压；

U

——平面传声器输出电压。

3.2 平面传声器频率响应特性校准

平面传声器频率响应特性为平面传声器自由场灵敏度与频率之间的关系。当声源频率发生变化时，平面传声器的自由场灵敏度在频率变化范围内波动。

按1/3倍频程在校准频率范围内选取校准频率点，调节声源频率，参照平面传声器自由场灵敏度级校准方法，分别测量标准传声器和平面传声器的输出电压，利用公式(1)计算得出不同频率下的自由场灵敏度级。自由场灵敏度级频率响应偏差按公式(2)计算。

ΔL

=

L

-

L

(2)

式中：

ΔL

——平面传声器自由场灵敏度级频率响应偏差；

L

——平面传声器自由场灵敏度级；

L

——平面传声器参考自由场灵敏度级。

3.3 平面传声器幅值特性校准

平面传声器幅值特性是平面传声器自由场灵敏度与声压级之间的关系。当声源的声压级发生变化时，平面传声器的自由场灵敏度在声压级变化范围内波动。

在校准声压级范围内选取6个声压级，保持频率不变，调节声源声压级，参照平面传声器自由场灵敏度级校准方法，分别测量标准传声器和平面传声器的输出电压，利用公式(1)计算得出各声压级下的自由场灵敏度级，自由场灵敏度级线性偏差按公式(3)计算。

ΔL

=

L

-

L

(3)

式中：

ΔL

——平面传声器自由场灵敏度级线性偏差；

L

——平面传声器自由场灵敏度级；

L

——平面传声器参考自由场灵敏度级。

3.4 平面传声器指向特性校准

平面传声器指向特性是平面传声器自由场灵敏度级与声波入射角之间的关系。平面传声器自由场灵敏度级会随着声波的入射方向和平面传声器轴向夹角的改变发生变化，由平面传声器自由场灵敏度级和声波入射角绘制而成的极坐标，被称为平面传声器的指向特性图，由此可以看出，平面传声器的实际测量结果与安装角度具有非常重要的关系，指向特性是评价平面传声器工作特性的一个重要指标。

在校准频率范围内选取一个频率点，控制指向特性旋转装置带动平面传声器旋转特定角度，记录此时声波入射角，参照平面传声器自由场灵敏度级校准方法，测量平面传声器的输出电压，利用公式(1)计算得出该入射角下的自由场灵敏度级。控制指向特性旋转装置在旋转角度范围内转动，计算得到相应声波入射角下的自由场灵敏度级，通过自由场灵敏度级和声波入射角得到该频率点下指向特性图。改变声源频率，重复以上操作过程，可以得到平面传声器不同频率下的指向特性图。

4 校准结果分析与验证

依据本文提出的校准方法，选取美国PCB公司生产型号为130B40型平面传声器作为校准对象，对其自由场灵敏度级、频率响应特性、幅值特性及指向特性进行校准，校准结果见表1～5所示。通过对校准结果不确定度进行分析评定，与中国计量科学研究院和美国PCB公司依据声校准器法给出的校准结果进行验证，不同校准方法得出的校准结果存在偏差，但偏差未超出测量不确定度范围，表明本文提出校准方法合理可信，验证结果见表6。

表1 平面传声器自由场灵敏度级校准结果(频率:250Hz)Tab.1 thefreefieldsensitivitylevelcalibrationresultofthesurfaceMicrophone(frequency:250Hz)频率/Hz250250250250250250250250声压级/dB68.6668.7268.6568.6868.7068.6368.6568.70自由场灵敏度级(re1V/Pa)/dB-40.79-40.78-40.76-40.80-40.79-40.79-40.80-40.81

表2 平面传声器自由场灵敏度级校准结果(频率:1000Hz)Tab.2 thefreefieldsensitivitylevelcalibrationresultofthesurfaceMicrophone(frequency:1000Hz)频率/Hz10001000100010001000100010001000声压级/dB87.2287.2087.1887.1987.2187.2087.2287.19自由场灵敏度级(re1V/Pa)/dB-41.23-41.23-41.22-41.23-41.23-41.22-41.23-41.21

表3 平面传声器频率响应特性校准结果Tab.3 thefrequencyresponsecalibrationresultofthesurfaceMicrophone频率/Hz80100125160200250315400500630声压级/dB64.6660.9058.3262.0366.6468.6579.0477.6983.7585.59自由场灵敏度级(re1V/Pa)/dB-40.46-40.55-40.48-40.64-40.68-40.79-40.80-40.74-40.82-41.07频率响应偏差/dB0.770.680.750.590.550.440.430.490.410.16频率/Hz800100012501600200015003150400050006000声压级/dB84.7287.2291.9091.4790.6089.9688.4694.1493.3287.35自由场灵敏度级(re1V/Pa)/dB-41.15-41.23-41.43-41.45-40.91-40.77-41.79-41.60-41.80-40.96频率响应偏差/dB0.080.00-0.20-0.220.320.46-0.56-0.37-0.570.27

表4 平面传声器幅值特性校准结果(频率:1000Hz)Tab.4thelinearitycalibrationresultofthesurfaceMicrophone(frequency:1000Hz)频率/Hz100010001000100010001000声压级/dB60.1165.0470.1175.0880.1085.09自由场灵敏度级(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频率/Hz10001000100010001000/声压级/dB90.0995.07100.05104.97109.86/自由场灵敏度级(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 平面传声器指向特性校准结果(频率:1000Hz)Tab.5thedirectivitycalibrationresultofthesurfaceMicrophone(frequency:1000Hz)频率/Hz1000100010001000100010001000声压级/dB94.5894.5994.5794.5894.5694.5894.60角度/°-90-75-60-45-30-150自由场灵敏度级(re1V/Pa)/dB-41.73-41.62-41.55-41.46-41.32-41.25-41.23频率/Hz100010001000100010001000/声压级/dB94.5994.5894.5794.5894.5794.56/角度/°153045607590/自由场灵敏度级(re1V/Pa)/dB-41.29-41.39-41.46-41.53-41.60-41.68/

表6 平面传声器校准结果验证Tab.6 thecalibrationresultvalidationofthesurfaceMicrophone测量单位中国计量科学研究院美国PCB公司本校准方法测量频率/Hz250250250灵敏度级(re1V/Pa)/dB-40.63-41.1-40.79测量不确定度(k=2)0.24dB/0.42dB

5 结束语

平面传声器作为飞行器的专用声学测试设备可满足未来飞行器结构无开口、无凸起物的设计要求，满足在实际飞行过程中对气动噪声变化的监测要求，并得到了广泛应用。通过对平面传声器自由场环境下动态特性校准方法的研究，实现了对平面传声器实际使用环境下频率响应特性、幅值特性及指向特性等动态特性的校准，有效的提高了飞行器气动噪声测试的准确性和可靠性。