劉 鑫 楊曉偉 呂舒婷 朱 剛 張俊祺 趙化業(yè) 羅兆明 戴宜霖

(1.北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076；2.首都航天機(jī)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(zhuǎn)化為電信號輸出，是空氣聲學(xué)測試不可缺少的工具，被廣泛應(yīng)用于國防空氣聲參數(shù)的測試、研究和試驗(yàn)。例如利用傳聲器對飛行器及有關(guān)分系統(tǒng)進(jìn)行氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)和測試，確定其聲學(xué)環(huán)境特性，可有效提高飛行器的安全性和可靠性。平面?zhèn)髀暺髯鳛閷ｉT針對飛行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的聲學(xué)測試設(shè)備，可以嵌平安裝在飛行器表面，在實(shí)際飛行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器在飛行過程中所受氣動(dòng)噪聲變化情況，判斷飛行器表面結(jié)構(gòu)聲學(xué)疲勞的程度，提高飛行器實(shí)際飛行過程中的安全性和可靠性。平面?zhèn)髀暺鞯念l率響應(yīng)特性、幅值特性及指向特性等動(dòng)態(tài)特性對判斷飛行器噪聲測試結(jié)果至關(guān)重要。

本文將系統(tǒng)介紹傳聲器校準(zhǔn)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并對平面?zhèn)髀暺鲃?dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行探討，提出基于自由場環(huán)境下的平面?zhèn)髀暺魈匦詤?shù)校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)對平面?zhèn)髀暺黝l率響應(yīng)特性、幅值特性及指向特性等動(dòng)態(tài)特性的校準(zhǔn)。

2 測試傳聲器校準(zhǔn)技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外測試傳聲器校準(zhǔn)主要有三種方法：聲校準(zhǔn)器法、自由場替代法以及靜電激勵(lì)器法。

2.1 聲校準(zhǔn)器法

聲校準(zhǔn)器是一種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具，它產(chǎn)生一定頻率的聲壓級，在其腔體內(nèi)形成聲壓場，通過它把聲耦合到傳聲器上。校準(zhǔn)時(shí)，將被校傳聲器與聲校準(zhǔn)器空腔緊密耦合，通過傳聲器的輸出電壓與聲校準(zhǔn)器施加在傳聲器膜片上聲壓計(jì)算得出傳聲器的開路聲壓靈敏度級。

聲校準(zhǔn)器腔體內(nèi)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(zhǔn)器產(chǎn)生聲壓的頻率固定，一般為250Hz或1kHz，而且聲校準(zhǔn)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(jìn)行單一頻率下的校準(zhǔn)。聲校準(zhǔn)器法校準(zhǔn)裝置原理圖如圖1所示。

圖1 聲校準(zhǔn)器法校準(zhǔn)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(huán)境下對傳聲器進(jìn)行校準(zhǔn)，一般在消聲室或消聲箱中進(jìn)行。聲源和標(biāo)準(zhǔn)傳聲器同軸放置在消聲室中的適當(dāng)位置，并測量標(biāo)準(zhǔn)傳聲器與聲源之間的距離，啟動(dòng)聲源發(fā)射聲波，記下標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的輸出電壓；保持聲源的狀態(tài)不變，用被校傳聲器替代標(biāo)準(zhǔn)傳聲器，記下被校傳聲器的輸出電壓；通過被校傳聲器與標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的輸出計(jì)算得出被校傳聲器的開路自由場靈敏度級。

校準(zhǔn)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(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)裝置原理圖如圖2所示。

圖2 自由場替代法校準(zhǔn)裝置原理圖

2.3 靜電激勵(lì)器法

靜電激勵(lì)器是一種開槽的而又非常平的平板形器件，可用于定點(diǎn)或自動(dòng)掃描測量電容傳聲器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)，也可用于測量電容傳聲器的絕對靈敏度。校準(zhǔn)時(shí)，靜電激勵(lì)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(dòng)膜片運(yùn)動(dòng)，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(lì)器測量。靜電激勵(lì)器法校準(zhǔn)裝置原理圖如圖3所示。

圖3 靜電激勵(lì)法校準(zhǔn)裝置原理圖

靜電激勵(lì)器產(chǎn)生的力和信號頻率無關(guān)，可以對電容傳聲器頻率響應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，頻率范圍上限可達(dá)到200kHz。但由于柵格板與膜片間的距離測量或計(jì)算不能很精確，用靜電激勵(lì)器絕對校準(zhǔn)傳聲器的準(zhǔn)確度很難優(yōu)于±1.5dB。因此靜電激勵(lì)器法非常適合校準(zhǔn)電容傳聲器的頻率響應(yīng)。

3 平面?zhèn)髀暺鲃?dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)技術(shù)探討

上述三種校準(zhǔn)方法所提及的校準(zhǔn)設(shè)備對被校測試傳聲器的工作原理、結(jié)構(gòu)尺寸及安裝方式均有嚴(yán)格的要求。由于平面?zhèn)髀暺髋c通用傳聲器的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝方式有很大差異，無法直接利用上述校準(zhǔn)設(shè)備對平面?zhèn)髀暺鞯念l率響應(yīng)特性、幅值特性及指向特性等動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行校準(zhǔn)。通過對平面?zhèn)髀暺鹘Y(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用環(huán)境的分析可知，平面?zhèn)髀暺鞔蠖嘣谧杂蓤霏h(huán)境下使用，目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于平面?zhèn)髀暺髟谧杂蓤霏h(huán)境下量值溯源方面的報(bào)道，因此本文提出了平面?zhèn)髀暺鲃?dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)方法，以解決平面?zhèn)髀暺鲗?shí)際使用環(huán)境下動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)的問題。

平面?zhèn)髀暺鲃?dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)在消聲室內(nèi)進(jìn)行，消聲室模擬平面?zhèn)髀暺鲗?shí)際使用環(huán)境，為其提供自由場無反射聲學(xué)環(huán)境；通過改變聲源的頻率和聲壓級，實(shí)現(xiàn)平面?zhèn)髀暺黝l率響應(yīng)特性和幅值特性的校準(zhǔn)；在保持聲源頻率和聲壓級穩(wěn)定的情況下，通過指向特性旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)平面?zhèn)髀暺鬓D(zhuǎn)動(dòng)特定的角度，實(shí)現(xiàn)平面?zhèn)髀暺髦赶蛱匦缘男?zhǔn)。平面?zhèn)髀暺鲃?dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)裝置原理圖如圖4所示。

圖4 平面?zhèn)髀暺鲃?dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)裝置原理圖

3.1 平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準(zhǔn)

將聲源和標(biāo)準(zhǔn)傳聲器安裝在消聲室的適當(dāng)位置，要使標(biāo)準(zhǔn)傳聲器與聲源同軸放置，并測量標(biāo)準(zhǔn)傳聲器與聲源之間的距離，啟動(dòng)聲源發(fā)射聲信號，記下標(biāo)準(zhǔn)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?zhèn)髀暺魈娲鷺?biāo)準(zhǔn)傳聲器，記下平面?zhèn)髀暺鞯妮敵鲭妷?；將平面?zhèn)髀暺髋c標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的輸出電壓數(shù)值相比，可以通過公式(1)計(jì)算得出平面?zhèn)髀暺鞯淖杂蓤鲮`敏度級。

(1)

式中：

L

——平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級；

L

——標(biāo)準(zhǔn)傳聲器自由場靈敏度級；

U

——標(biāo)準(zhǔn)傳聲器輸出電壓；

U

——平面?zhèn)髀暺鬏敵鲭妷骸?h3>3.2 平面?zhèn)髀暺黝l率響應(yīng)特性校準(zhǔn)

平面?zhèn)髀暺黝l率響應(yīng)特性為平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度與頻率之間的關(guān)系。當(dāng)聲源頻率發(fā)生變化時(shí)，平面?zhèn)髀暺鞯淖杂蓤鲮`敏度在頻率變化范圍內(nèi)波動(dòng)。

按1/3倍頻程在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)選取校準(zhǔn)頻率點(diǎn)，調(diào)節(jié)聲源頻率，參照平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準(zhǔn)方法，分別測量標(biāo)準(zhǔn)傳聲器和平面?zhèn)髀暺鞯妮敵鲭妷海霉?1)計(jì)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(yīng)偏差按公式(2)計(jì)算。

ΔL

=

L

-

L

(2)

式中：

ΔL

——平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級頻率響應(yīng)偏差；

L

——平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級；

L

——平面?zhèn)髀暺鲄⒖甲杂蓤鲮`敏度級。

3.3 平面?zhèn)髀暺鞣堤匦孕?zhǔn)

平面?zhèn)髀暺鞣堤匦允瞧矫鎮(zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度與聲壓級之間的關(guān)系。當(dāng)聲源的聲壓級發(fā)生變化時(shí)，平面?zhèn)髀暺鞯淖杂蓤鲮`敏度在聲壓級變化范圍內(nèi)波動(dòng)。

在校準(zhǔn)聲壓級范圍內(nèi)選取6個(gè)聲壓級，保持頻率不變，調(diào)節(jié)聲源聲壓級，參照平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準(zhǔn)方法，分別測量標(biāo)準(zhǔn)傳聲器和平面?zhèn)髀暺鞯妮敵鲭妷海霉?1)計(jì)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(jì)算。

ΔL

=

L

-

L

(3)

式中：

ΔL

——平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級線性偏差；

L

——平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級；

L

——平面?zhèn)髀暺鲄⒖甲杂蓤鲮`敏度級。

3.4 平面?zhèn)髀暺髦赶蛱匦孕?zhǔn)

平面?zhèn)髀暺髦赶蛱匦允瞧矫鎮(zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級與聲波入射角之間的關(guān)系。平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級會(huì)隨著聲波的入射方向和平面?zhèn)髀暺鬏S向夾角的改變發(fā)生變化，由平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級和聲波入射角繪制而成的極坐標(biāo)，被稱為平面?zhèn)髀暺鞯闹赶蛱匦詧D，由此可以看出，平面?zhèn)髀暺鞯膶?shí)際測量結(jié)果與安裝角度具有非常重要的關(guān)系，指向特性是評價(jià)平面?zhèn)髀暺鞴ぷ魈匦缘囊粋€(gè)重要指標(biāo)。

在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)選取一個(gè)頻率點(diǎn)，控制指向特性旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)平面?zhèn)髀暺餍D(zhuǎn)特定角度，記錄此時(shí)聲波入射角，參照平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準(zhǔn)方法，測量平面?zhèn)髀暺鞯妮敵鲭妷海霉?1)計(jì)算得出該入射角下的自由場靈敏度級?？刂浦赶蛱匦孕D(zhuǎn)裝置在旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算得到相應(yīng)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(diǎn)下指向特性圖。改變聲源頻率，重復(fù)以上操作過程，可以得到平面?zhèn)髀暺鞑煌l率下的指向特性圖。

4 校準(zhǔn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

依據(jù)本文提出的校準(zhǔn)方法，選取美國PCB公司生產(chǎn)型號為130B40型平面?zhèn)髀暺髯鳛樾?zhǔn)對象，對其自由場靈敏度級、頻率響應(yīng)特性、幅值特性及指向特性進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見表1～5所示。通過對校準(zhǔn)結(jié)果不確定度進(jìn)行分析評定，與中國計(jì)量科學(xué)研究院和美國PCB公司依據(jù)聲校準(zhǔn)器法給出的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，不同校準(zhǔn)方法得出的校準(zhǔn)結(jié)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(zhǔn)方法合理可信，驗(yàn)證結(jié)果見表6。

表1 平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準(zhǔn)結(jié)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?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準(zhǔn)結(jié)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?zhèn)髀暺黝l率響應(yīng)特性校準(zhǔn)結(jié)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(yīng)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(yīng)偏差/dB0.080.00-0.20-0.220.320.46-0.56-0.37-0.570.27

表4 平面?zhèn)髀暺鞣堤匦孕?zhǔn)結(jié)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?zhèn)髀暺髦赶蛱匦孕?zhǔn)結(jié)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?zhèn)髀暺餍?zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證Tab.6 thecalibrationresultvalidationofthesurfaceMicrophone測量單位中國計(jì)量科學(xué)研究院美國PCB公司本校準(zhǔn)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(jié)束語

平面?zhèn)髀暺髯鳛轱w行器的專用聲學(xué)測試設(shè)備可滿足未來飛行器結(jié)構(gòu)無開口、無凸起物的設(shè)計(jì)要求，滿足在實(shí)際飛行過程中對氣動(dòng)噪聲變化的監(jiān)測要求，并得到了廣泛應(yīng)用。通過對平面?zhèn)髀暺髯杂蓤霏h(huán)境下動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)方法的研究，實(shí)現(xiàn)了對平面?zhèn)髀暺鲗?shí)際使用環(huán)境下頻率響應(yīng)特性、幅值特性及指向特性等動(dòng)態(tài)特性的校準(zhǔn)，有效的提高了飛行器氣動(dòng)噪聲測試的準(zhǔn)確性和可靠性。