楊曉偉 閆 磊 朱 剛 劉 鑫 白 天

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

2 高聲強(qiáng)級(jí)校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀

聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x高聲強(qiáng)級(jí)校準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)外一直是難點(diǎn)[4]，主要是在高聲強(qiáng)級(jí)條件下如何精確控制兩個(gè)傳聲器間的聲壓級(jí)和相位差，使二者在一個(gè)較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的非線性滿足校準(zhǔn)要求，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的高聲強(qiáng)校準(zhǔn)方法主要有活塞發(fā)生器法、消聲室法和行波管法，聲強(qiáng)級(jí)通常不超過124dB。

活塞發(fā)生器法是常用的方法，具有使用方便，設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。B&K公司 3541型聲強(qiáng)校準(zhǔn)儀最具代表性，當(dāng)活塞發(fā)生器和耦合器對(duì)接時(shí)，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(gè)腔室中的聲壓級(jí)相同而相位不同。當(dāng)聲強(qiáng)探頭的兩只傳聲器分別位于兩個(gè)不同腔室中就形成了一個(gè)自由場(chǎng)中傳播的平面聲波的聲強(qiáng)，其聲強(qiáng)級(jí)為118dB、251Hz[1]。

在消聲室校準(zhǔn)是當(dāng)前采用的最主要的方法，將聲強(qiáng)探頭放在消聲室(自由聲場(chǎng))中，聲強(qiáng)探頭軸向與聲源傳播方向一致，用標(biāo)準(zhǔn)傳聲器監(jiān)測(cè)聲壓級(jí)，聲源產(chǎn)生的聲波為平面波。該校準(zhǔn)由標(biāo)準(zhǔn)傳聲器可溯源至空氣聲壓基準(zhǔn)，有較高的準(zhǔn)確度，主要用于聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x的頻率特性校準(zhǔn)，最高聲強(qiáng)級(jí)為100dB[2]。

行波管法采用一個(gè)空心圓管，一端為聲源，另一端是安裝多個(gè)毛細(xì)管，并為彎弧型，這樣該端面完全吸聲沒有反射，聲強(qiáng)探頭置于行波管內(nèi)，聲強(qiáng)探頭軸向與聲源傳播方向一致。通過插入一根移動(dòng)距離可測(cè)的裝有標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的探頭，用于測(cè)量聲壓。當(dāng)聲源工作時(shí)，聲強(qiáng)探頭測(cè)得的聲壓和相位差已知，經(jīng)計(jì)算得出聲強(qiáng)級(jí)。該方法最大聲強(qiáng)級(jí)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(qiáng)級(jí)校準(zhǔn)

3.1 校準(zhǔn)原理

如上所述，目前的聲強(qiáng)校準(zhǔn)方法無法實(shí)現(xiàn)高聲強(qiáng)校準(zhǔn)，須使用新的校準(zhǔn)方法才能實(shí)現(xiàn)高聲強(qiáng)校準(zhǔn)。從聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測(cè)量參數(shù)看，聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x是由兩個(gè)相位一致并相距固定間隔的傳聲器組成，兩個(gè)傳聲器同時(shí)測(cè)量聲壓，如圖1所示。聲強(qiáng)分析計(jì)算軟件對(duì)聲壓梯度積分及必要的計(jì)算得出聲強(qiáng)。其計(jì)算方法如式(1)。

圖 1 聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x示意圖Fig.1 A diagram of sound intensity probe

(1)

當(dāng)Pa、Pb為正弦信號(hào)時(shí)，式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

式中：Pa、Pb——聲壓信號(hào)的有效值；ω、φ——分別為信號(hào)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(guó)極度干旱缺水的地區(qū)之一。多年平均降水量289 mm，蒸發(fā)量1 250 mm。當(dāng)?shù)厮Y源量少質(zhì)差、時(shí)空分布不均。全區(qū)水資源總量11.63億m3，其中地表水資源量9.49億m3。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主要依賴于國(guó)家限量分配的黃河水，全區(qū)水資源可利用量41.5億m3，人均占有量687m3，不足全國(guó)平均值的1/3。按自然地理特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)狀況，全區(qū)大體分為北部引黃灌區(qū)、中部干旱帶和南部山區(qū)。

式(2)表明，聲強(qiáng)級(jí)與聲壓級(jí)的平方成正比，聲壓級(jí)的增大可使聲強(qiáng)級(jí)增大，因此高聲壓是產(chǎn)生高聲強(qiáng)的關(guān)鍵因素之一。此外，聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x的兩個(gè)傳聲器測(cè)得的聲壓信號(hào)間須有一個(gè)相位差，形成聲壓梯度，使聲壓梯度信號(hào)積分不為零，這兩方面是復(fù)現(xiàn)高聲強(qiáng)級(jí)的基礎(chǔ)，缺一不可。

目前測(cè)試傳聲器高聲壓級(jí)校準(zhǔn)采用的高壓諧振耦合管可產(chǎn)生聲壓級(jí)達(dá)171dB，失真度不超過0.5%?；驹硎沁x擇兩個(gè)大小不同管子組合在一起可產(chǎn)生與兩個(gè)管子原有諧振頻率不同的新諧振頻率(500Hz)，這個(gè)諧振頻率與單獨(dú)兩個(gè)管子的固有諧波不重合，從而可在這個(gè)頻率上形成低失真高聲壓的效果[3]。高聲壓級(jí)標(biāo)準(zhǔn)傳聲器可選擇B&K公司4941型傳聲器，該傳聲器在170dB聲壓級(jí)下非線性僅為0.1dB。選取多支4941型傳聲器進(jìn)行相位一致性校準(zhǔn)，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(jí)標(biāo)準(zhǔn)，聲強(qiáng)可溯源于這對(duì)傳聲器。

借鑒上述有關(guān)高聲壓源和高聲壓標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的技術(shù)特點(diǎn)、性能和參數(shù)，在充分了解、比較當(dāng)前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的聲強(qiáng)校準(zhǔn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)校準(zhǔn)高聲強(qiáng)級(jí)動(dòng)態(tài)范圍寬的特點(diǎn)，創(chuàng)新的采用雙諧振聲波幅相控制的新方法，可實(shí)現(xiàn)高聲強(qiáng)級(jí)達(dá)150dB以上的校準(zhǔn)。

雙諧振聲波幅相控制法是指采用兩個(gè)基于聲波諧振原理的低失真度高聲壓源和兩只高聲壓標(biāo)準(zhǔn)傳聲器反饋控制兩路聲壓信號(hào)的幅值及相位差來模擬平面行波，從而可以精確復(fù)現(xiàn)高聲強(qiáng)，原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

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

3.2 校準(zhǔn)裝置

根據(jù)雙諧振聲波幅相控制法構(gòu)建的高聲強(qiáng)級(jí)校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 高聲強(qiáng)級(jí)校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖Fig.3 Frame diagram of high sound intensity lever calibration system

聲強(qiáng)控制器由工控機(jī)和NI-4462動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡(含兩路可控幅相的輸出信號(hào)源)組成，通過動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡完成標(biāo)準(zhǔn)聲壓信號(hào)采集與信號(hào)輸出任務(wù)，兩只標(biāo)準(zhǔn)傳聲器與聲強(qiáng)探頭兩只傳聲器面“面對(duì)面”對(duì)稱安裝，測(cè)量放大器用于連接標(biāo)準(zhǔn)傳聲器并調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)聲壓信號(hào)放大倍數(shù)，以保持最佳信噪比。

由計(jì)算機(jī)控制信號(hào)源輸出兩路同步信號(hào)(頻率為500Hz)，經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的揚(yáng)聲器，在高聲壓發(fā)生裝置A、B內(nèi)產(chǎn)生諧振聲波，兩只高聲壓標(biāo)準(zhǔn)傳聲器采集聲壓信號(hào)，經(jīng)測(cè)量放大器反饋至聲強(qiáng)控制器(計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng))，計(jì)算兩路信號(hào)的幅值比和相位差，計(jì)算結(jié)果更改信號(hào)源輸出電壓、頻率和相位，實(shí)現(xiàn)兩路諧振聲波的幅值和相位差與目標(biāo)值一致，由兩路標(biāo)準(zhǔn)傳聲器輸出信號(hào)計(jì)算出的聲強(qiáng)級(jí)為本裝置的標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)級(jí)，與聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x測(cè)量的聲強(qiáng)級(jí)比較，見公式(3)。

ΔI=Im-Is

(3)

式中：Im——聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x聲強(qiáng)級(jí)示值， dB；Is——本裝置復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)級(jí)， dB；ΔI——聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x聲強(qiáng)級(jí)示值偏差， dB。

校準(zhǔn)軟件為全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可編輯或載入自動(dòng)校準(zhǔn)流程控制文件，實(shí)時(shí)顯示校準(zhǔn)流程進(jìn)度，后臺(tái)實(shí)時(shí)采集動(dòng)態(tài)聲信號(hào)和輸出控制信號(hào)，前面板圖表實(shí)時(shí)顯示每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的采集計(jì)算分析結(jié)果，如：頻率、聲強(qiáng)級(jí)、失真度、級(jí)線性等，設(shè)置面板中有：通道設(shè)置、參數(shù)控制設(shè)置、程控適配器通訊設(shè)置、濾波器設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)傳聲器靈敏度設(shè)置、以及傳聲器適配器的增益擋和濾波器設(shè)置、報(bào)告生成設(shè)置等功能。軟件流程如圖4所示。

圖4 全自動(dòng)軟件流程圖Fig.4 Flowchart of automatic software

4 校準(zhǔn)實(shí)例與不確定度評(píng)估

選定B&K公司3599型聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x為校準(zhǔn)對(duì)象，其聲強(qiáng)級(jí)測(cè)量上限為150dB,目前國(guó)內(nèi)外未有這類測(cè)量?jī)x的高聲強(qiáng)級(jí)校準(zhǔn)報(bào)告。采用本裝置首次對(duì)該型測(cè)量?jī)x進(jìn)行聲強(qiáng)級(jí)范圍(100～150)dB 的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見表1。

表1聲強(qiáng)級(jí)幅值校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(500Hz)

Tab.1Calibrationresultsofsoundintensitylevel(dB)

隨著聲強(qiáng)級(jí)增加聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x的幅值誤差也逐漸增大，這是因?yàn)榘迅呗晧盒盘?hào)施加到兩個(gè)傳聲器通道時(shí)，傳聲器膜片會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)失真，從而導(dǎo)致傳聲器輸出(幅值和相位)的非線性。聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x正是通過測(cè)量?jī)蓚髀暺鞯妮敵?，進(jìn)行積分和必要的計(jì)算得出聲強(qiáng)，所以當(dāng)聲強(qiáng)級(jí)增大到一定值時(shí)，隨著聲強(qiáng)級(jí)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(guó)內(nèi)外沒有類似的校準(zhǔn)裝置，沒有成熟的溯源方法，為了準(zhǔn)確掌握高聲強(qiáng)級(jí)的校準(zhǔn)不確定度，采用現(xiàn)有的量值的溯源手段，對(duì)本裝置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行不確定度評(píng)估，對(duì)高聲強(qiáng)而言，聲強(qiáng)探頭的傳聲器間的聲壓相位差和聲壓級(jí)是主要的不確定度來源，另外大氣壓、環(huán)境溫度和濕度也是聲強(qiáng)測(cè)量影響量，在聲強(qiáng)級(jí)為150dB時(shí)，有關(guān)的不確定度來源見表2[5]。

上述不確定度分量各自獨(dú)立，互不相關(guān)，擴(kuò)展不確定度公式為

校準(zhǔn)實(shí)例表明了校準(zhǔn)裝置高聲強(qiáng)級(jí)的校準(zhǔn)不確定度選定0.5dB(k=2)是合理可信的。

5 結(jié)束語(yǔ)

雙諧振聲波幅相控制法選定兩個(gè)基于高壓諧振耦合管原理的高聲壓源；一對(duì)經(jīng)過篩選的、相位差很小的4941型高聲壓標(biāo)準(zhǔn)傳聲器，利用其高性能、高可靠的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)高聲強(qiáng)校準(zhǔn)的要求，通過精心設(shè)計(jì)構(gòu)建的高聲強(qiáng)校準(zhǔn)裝置，具有溯源路徑清晰、實(shí)施性好和校準(zhǔn)結(jié)果可靠的特點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x的高聲強(qiáng)級(jí)(100dB～150dB)校準(zhǔn)。最新查新結(jié)果表明：國(guó)內(nèi)外沒有雙諧振聲波幅相控制法及高聲強(qiáng)級(jí)(大于130dB)校準(zhǔn)的相關(guān)報(bào)道。