噪聲監(jiān)測系統(tǒng)傳聲器的溫度特性實驗研究

桂 桂，姚小兵，鄂治群，張海錠，萬宇鵬，謝榮基

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021)

噪聲監(jiān)測系統(tǒng)傳聲器的溫度特性實驗研究

桂 桂，姚小兵，鄂治群，張海錠，萬宇鵬，謝榮基

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021)

針對溫度變化引起傳聲器性能改變，導(dǎo)致噪聲測量結(jié)果出現(xiàn)誤差的問題。該文在研究現(xiàn)有性能評價方法和戶外傳聲器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，討論溫度對傳聲器膜片張力的影響因素，然后對電容傳聲器膜片進行熱應(yīng)變有限元分析，并選用3只不同傳聲器進行溫度環(huán)境實驗，得出在實驗溫度范圍-20～50℃內(nèi)，傳聲器靈敏度和頻響隨溫度變化的特性曲線。實驗表明：有限元結(jié)果與環(huán)境實驗結(jié)果相結(jié)合，對戶外傳聲器的設(shè)計制造和使用具有一定的理論指導(dǎo)意義。

電容傳聲器；溫度特性；有限元；環(huán)境實驗

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范規(guī)定對傳聲器的校準(zhǔn)必須在標(biāo)準(zhǔn)實驗環(huán)境下進行，對戶外傳聲器特殊的應(yīng)用環(huán)境并未考慮[2]。在GB/T 20441.4——2006《測量傳聲器 第4部分：工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器規(guī)范》中，提到了小幅且緩慢的溫度變化會引起傳聲器性能的可逆變化，且提出在-10～50℃范圍內(nèi)溫度對靈敏度的影響應(yīng)作為頻率的函數(shù)給出[3]。由于戶外噪聲監(jiān)測裝置長期安放于復(fù)雜氣候環(huán)境下，溫濕度、降雨等氣候因素都會對傳聲器的性能產(chǎn)生影響。在這些方面，國內(nèi)外曾有部分學(xué)者進行過研究，討論了氣壓和溫度等對傳聲器性能變化的影響，給傳聲器設(shè)計制造提供了技術(shù)參考[4]。Yasuno等[5]討論了在溫度影響下，以滌綸樹脂（PET)和全氟乙烯丙烯共聚物（FEP)為膜片材料的傳聲器頻響特性，吳宗漢等[6]從設(shè)計生產(chǎn)的角度分析了影響駐極體電容傳聲器的主要因素。隨著ANSYS等商業(yè)化軟件的應(yīng)用，數(shù)值分析方法給傳聲器溫度特性的研究帶來了便利。本文在研究現(xiàn)有性能評價方法和傳聲器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用有限元方法分析了傳聲器膜片在-20～50℃的熱應(yīng)變，并結(jié)合溫度環(huán)境實驗討論了溫度對傳聲器靈敏度和頻響特性的影響。

1 傳聲器特性

傳聲器按換能形式，可以分為動圈式、電容式、碳粒式和壓電式等。其中電容傳聲器因其頻響范圍寬、靈敏度高、瞬態(tài)響應(yīng)好、非線性失真小而得以廣泛應(yīng)用。常見的電容傳聲器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

傳聲器主要工作部分為振膜到背極板，經(jīng)過極化處理，振膜和背極板構(gòu)成了一個平板電容器，當(dāng)振膜受到聲音激發(fā)時產(chǎn)生振動，從而在兩極板之間產(chǎn)生相應(yīng)的電容變化，通過電容的改變量就得出了作用在膜片上的聲壓大小[7]。

圖1 常見電容傳聲器結(jié)構(gòu)模型

普通電容傳聲器的靈敏度K與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系[8]可以表示為

式中：A——常數(shù)；

Eb——駐極體電壓；

Sd——振膜等效剛度；

Sb——背極板后空腔等效剛度；

gm、RL——互導(dǎo)和負(fù)載電阻，為轉(zhuǎn)換電路的電學(xué)特性指標(biāo)。

根據(jù)上式，溫度對傳聲器性能的影響主要體現(xiàn)在Sd、Sb、gm和RL上。換言之，在溫度發(fā)生變化時振膜材料的剛度變化和電路的電學(xué)特性變化是傳聲器靈敏度變化的主要因素。由于傳聲器材料特性不同，將呈現(xiàn)出不同的靈敏度應(yīng)變特征。以下將通過有限元分析和環(huán)境模擬實驗，討論溫度變化對傳聲器性能的影響。

2 膜片的熱應(yīng)變分析

在電容傳聲器制作中，膜片通常采用FEP材料繃緊膠粘于金屬環(huán)上切割而成，膜片張力需預(yù)設(shè)至指定大小以滿足實際需要[9]。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，傳聲器膜片產(chǎn)生的熱應(yīng)力會改變膜片張力的大小，這是導(dǎo)致傳聲器靈敏度隨溫度發(fā)生改變的原因之一[10]。因此對傳聲器膜片進行熱應(yīng)變的有限元計算，計算結(jié)果與環(huán)境實驗結(jié)果相互驗證，可以得到不同溫度對傳聲器靈敏度及頻響特性的影響。

對傳聲器膜片結(jié)構(gòu)進行建模并劃分網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)尺寸按照GB/T 20441.4——2006中WS2P/F/D型傳聲器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進行建模。本模型屬于多體結(jié)構(gòu)，膜片與外殼為同一零件的不同體，需將二者進行拓?fù)浞窒砗笤賱澐志W(wǎng)格，這樣才能使零件網(wǎng)格連續(xù)。由于傳聲器膜片極?。?0μm)，建模時網(wǎng)格劃分密度不宜過大以免影響計算精度，實際劃分時采用0.1mm六面體網(wǎng)格進行劃分。為便于計算，模型將背極板等不影響膜片熱分析結(jié)果的部分進行了簡化，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。膜片材料為FEP，其特性如表1[11]所示。

將標(biāo)準(zhǔn)測量傳聲器規(guī)范工作于-10～50℃溫度范圍的下限擴展至-20℃，即-20～50℃作為實驗溫度范圍。每10℃為一點共8個溫度點，模擬膜片在不同溫度下受到1 Pa均勻壓力作用下的形變分布情況如圖 3所示，由于在 10，20，30，40℃時形變不明顯，因此僅給出-20，-10，0，50℃下膜片的形變分布。其應(yīng)變最大/最小值分布曲線如圖4所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

表1 FEP材料特性

圖3 膜片形變分布

圖4 應(yīng)變最大/最小值曲線

隨著傳聲器應(yīng)變增大，其所受張力變小，導(dǎo)致靈敏度降低，所以在溫度作用下膜片的應(yīng)變發(fā)生改變從而導(dǎo)致張力變化影響靈敏度，并且該現(xiàn)象在低溫環(huán)境下更為顯著。

3 環(huán)境模擬實驗

實驗有兩種方式：以初始溫度（20℃)為起點，先降至-20℃再升溫至50℃稱為升溫實驗；先升至50℃再降溫至-20℃稱為降溫實驗。

因?qū)嶒炏湓诜枪ぷ鳡顟B(tài)下未與外界隔絕，內(nèi)部存在水汽。若先進行升溫實驗，溫度較低時實驗箱內(nèi)結(jié)霜，冰霜融化覆蓋在傳聲器膜片上影響準(zhǔn)確性，并在溫度升高的過程中水汽蒸騰造成箱內(nèi)濕度過大，此時傳聲器靈敏度變化是在溫度和濕度共同影響下的結(jié)果，無法對數(shù)據(jù)進行有效分析。因此，實驗時先將恒溫箱預(yù)熱至50℃，待箱內(nèi)濕度降低到較低水平時進行實驗，最大限度地避免濕度對實驗結(jié)果的影響。

3.1 傳聲器的穩(wěn)定性

選擇結(jié)構(gòu)相同、頻率范圍及動態(tài)范圍相近的3支不同廠商生產(chǎn)的戶外傳聲器（以A、B、C編號)，分別進行3次溫度變化實驗，記錄數(shù)據(jù)后分析實驗結(jié)果。所有傳聲器均在干燥箱中存放超過一年以上，期間3次校準(zhǔn)測試靈敏度結(jié)果如表2所示。

表2 3次校準(zhǔn)測試靈敏度結(jié)果 mV/Pa

3次測試間隔時間均為3個月以上，測試結(jié)果表明3支傳聲器性能穩(wěn)定，保證實驗結(jié)果可靠。

實驗前，使用靜電激勵器對3支傳聲器頻響曲線進行測試，測試結(jié)果如圖5所示。可以看到，戶外傳聲器的頻率范圍上限較低，在頻率為20～8000Hz的范圍內(nèi)基本平坦，在8 000 Hz以上的范圍衰減較為明顯。

3.2 模擬實驗結(jié)果

將3只1/2 in（1 in=0.025 4 m)傳聲器同時放入恒溫箱，將溫度調(diào)整為50℃，靜置2h后進行第1次測試，然后依次降溫到 40，30，20，10，0，-10，-20℃，重復(fù)3次后得到測試傳聲器靈敏度隨溫度變化的插值曲線如圖6所示。

圖5 傳聲器頻響曲線

圖6 靈敏度隨溫度變化插值曲線

該結(jié)果與應(yīng)變曲線進行對比，可以看到在20℃以下應(yīng)變曲線隨溫度降低而變大，靈敏度降低；20℃以上時，雖然隨溫度升高應(yīng)變增大，但靈敏度略有起伏，即二者之間為非線性關(guān)系，說明此時除膜片張力變化外有其他因素影響了傳聲器的靈敏度。

測試在-20，-10，20，50℃時傳聲器 A 的頻響特性，得到在不同溫度下，傳聲器A的頻響特性變化曲線如圖7所示。

圖7 不同溫度下傳聲器A頻響特性變化曲線

圖中縱坐標(biāo)軸為靈敏度修正值（校準(zhǔn)值減實測值，低溫校準(zhǔn)值大于實測值，即靈敏度降低；高溫時受到除溫度以外因素的影響但總體呈現(xiàn)靈敏度升高)?？梢钥闯?，傳聲器在戶外環(huán)境下工作時，傳聲器頻響特性隨溫度變化而改變，這將可能導(dǎo)致噪聲測試結(jié)果出現(xiàn)誤差。在戶外工作環(huán)境下，測量誤差可能比實驗室測量誤差更大。

4 結(jié)束語

戶外傳聲器因其工作條件的特殊性需考慮其氣候環(huán)境適應(yīng)性，否則將可能造成結(jié)果不可靠并且影響設(shè)備實際使用壽命。本文在現(xiàn)有傳聲器校準(zhǔn)方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，探討了影響傳聲器靈敏度變化的主要因素，通過有限元方法得出了溫度對傳聲器膜片張力的影響。有限元結(jié)果與傳聲器的環(huán)境模擬實驗相結(jié)合為今后戶外傳聲器設(shè)計制造提供了技術(shù)參考。

[1]王琳娜，景妮琴，吳國喬.通過揚聲器振膜位移測試頻響曲線[J].中國測試，2013，39（5)：31-33.

[2] 戰(zhàn)豐豐.傳聲器在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用研究[D].太原：中北大學(xué)，2010.

[3] 測量傳聲器 第4部分：工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器：GB/T 20441.4-2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4]商玉芬，張美娥，肖鑒.電容傳聲器聲壓靈敏度校準(zhǔn)的氣壓修正[J].聲學(xué)技術(shù)，1988（1)：13-18.

[5]YASUNO Y，OHGA J.Temperature characteristics of electret condenser microphones[C]∥International Symposium on Electrets IEEE.IEEE，2006.

[6]吳宗漢.振膜系統(tǒng)材料特性對傳聲器相關(guān)特性影響分析[J].電聲技術(shù)，2009，33（10)：17-19.

[7] 郭淑菊.電容傳聲器的建模及性能分析[D].太原：中北大學(xué)，2016.

[8]MIURA K，YASUNO Y.Long-term sensitivity changes in electret condenser microphones[J].Journal of the Acoustical Society of Japan，2011，18（1)：29-35.

[9]吳宗漢.駐極體電容傳聲器溫度特性分析和改進對策[J].電聲技術(shù)，2010，34（5)：22-26.

[10]傳聲器通用技術(shù)條件：GB/T 14198-1993[S].北京：中國計量出版社，1993.

[11]成云平，武文革，杜曉軍，等.嵌入式薄膜微傳感器的ANSYS分析與應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機床，2014（6)：134-137.

Research on the temperature characteristics of microphone of noise monitoring system

GUI Gui， YAO Xiaobing， E Zhiqun， ZHANG Haiding， WAN Yupeng， XIE Rongji
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

Aiming at the problem of the temperature variation has a great influence on the performance of the microphone which may lead to deviation of noise measurement results，on the basis of the research on the existing performance evaluation methods and structure of outdoor microphone，the analysis of microphone diaphragm tension influence factors and thermal strain finite element analysis for condenser microphone diaphragm were carried out in this paper.After thatthe temperature environmenttestofthree differentmicrophones wascarried out， the characteristic curves ofmicrophone sensitivity and frequency response were obtained with temperature range of-20-50℃.The test shows that finite element results are in conformity with environmental test results and have certain theoretical guidance significance for design，manufacture and application of outdoor microphone.

condenser microphone； temperature characteristic； finite element； environmental experiment

A

1674-5124（2017）10-0123-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.024

0 引 言

隨著戶外噪聲污染問題日益受到關(guān)注，我國大部分城市陸續(xù)安裝戶外噪聲監(jiān)測裝置用于監(jiān)測環(huán)境噪聲。因地域不同，氣候條件差異較大，戶外傳聲器在工作過程中受溫濕度變化、霜凍降雨、風(fēng)沙灰塵等影響會有一定的性能改變，在氣候惡劣晝夜溫差較大的地區(qū)更為嚴(yán)重[1]。傳聲器的薄膜狀結(jié)構(gòu)在熱脹冷縮的作用下會發(fā)生改變，因此研究戶外傳聲器的溫度特性對實際使用具有指導(dǎo)意義。

2017-05-15；

2017-06-24

四川省科技支撐計劃（2013GZ0010)

桂 桂（1989-)，男，河南洛陽市人，助理工程師，碩士，研究方向為聲學(xué)測試技術(shù)與儀器。

（編輯：李妮）