平面?zhèn)髀暺鲃討B(tài)特性參數(shù)校準方法研究

劉 鑫 楊曉偉 呂舒婷 朱 剛 張俊祺 趙化業(yè) 羅兆明 戴宜霖

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076；2.首都航天機械有限公司，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。例如利用傳聲器對飛行器及有關(guān)分系統(tǒng)進行氣動噪聲試驗和測試，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)特點設(shè)計的聲學(xué)測試設(shè)備，可以嵌平安裝在飛行器表面，在實際飛行過程中實時監(jiān)測飛行器在飛行過程中所受氣動噪聲變化情況，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)介紹傳聲器校準技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并對平面?zhèn)髀暺鲃討B(tài)特性校準技術(shù)進行探討，提出基于自由場環(huán)境下的平面?zhèn)髀暺魈匦詤?shù)校準方法，實現(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態(tài)特性的校準。

2 測試傳聲器校準技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀

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

2.1 聲校準器法

聲校準器是一種標準計量器具，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。校準時，將被校傳聲器與聲校準器空腔緊密耦合，通過傳聲器的輸出電壓與聲校準器施加在傳聲器膜片上聲壓計算得出傳聲器的開路聲壓靈敏度級。

聲校準器腔體內(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。由于聲校準器產(chǎn)生聲壓的頻率固定，一般為250Hz或1kHz，而且聲校準器腔體尺寸固定，因此這種方法只適用于對特定尺寸的傳聲器進行單一頻率下的校準。聲校準器法校準裝置原理圖如圖1所示。

圖1 聲校準器法校準裝置原理圖

2.2 自由場替代法

自由場替代法是在自由場環(huán)境下對傳聲器進行校準，一般在消聲室或消聲箱中進行。聲源和標準傳聲器同軸放置在消聲室中的適當位置，并測量標準傳聲器與聲源之間的距離，啟動聲源發(fā)射聲波，記下標準傳聲器的輸出電壓；保持聲源的狀態(tài)不變，用被校傳聲器替代標準傳聲器，記下被校傳聲器的輸出電壓；通過被校傳聲器與標準傳聲器的輸出計算得出被校傳聲器的開路自由場靈敏度級。

校準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，標準傳聲器和被校傳聲器外形尺寸一致為最佳。自由場替代法校準裝置原理圖如圖2所示。

圖2 自由場替代法校準裝置原理圖

2.3 靜電激勵器法

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

圖3 靜電激勵法校準裝置原理圖

靜電激勵器產(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)進行校準，頻率范圍上限可達到200kHz。但由于柵格板與膜片間的距離測量或計算不能很精確，用靜電激勵器絕對校準傳聲器的準確度很難優(yōu)于±1.5dB。因此靜電激勵器法非常適合校準電容傳聲器的頻率響應(yīng)。

3 平面?zhèn)髀暺鲃討B(tài)特性校準技術(shù)探討

上述三種校準方法所提及的校準設(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態(tài)特性進行校準。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道，因此本文提出了平面?zhèn)髀暺鲃討B(tài)特性校準方法，以解決平面?zhèn)髀暺鲗嶋H使用環(huán)境下動態(tài)特性校準的問題。

平面?zhèn)髀暺鲃討B(tài)特性校準在消聲室內(nèi)進行，消聲室模擬平面?zhèn)髀暺鲗嶋H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，實現(xiàn)平面?zhèn)髀暺黝l率響應(yīng)特性和幅值特性的校準；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)裝置帶動平面?zhèn)髀暺鬓D(zhuǎn)動特定的角度，實現(xiàn)平面?zhèn)髀暺髦赶蛱匦缘男?。平面?zhèn)髀暺鲃討B(tài)特性校準裝置原理圖如圖4所示。

圖4 平面?zhèn)髀暺鲃討B(tài)特性校準裝置原理圖

3.1 平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準

將聲源和標準傳聲器安裝在消聲室的適當位置，要使標準傳聲器與聲源同軸放置，并測量標準傳聲器與聲源之間的距離，啟動聲源發(fā)射聲信號，記下標準傳聲器的輸出電壓；然后保持聲源的頻率和聲壓級不變，用平面?zhèn)髀暺魈娲鷺藴蕚髀暺?，記下平面?zhèn)髀暺鞯妮敵鲭妷?；將平面?zhèn)髀暺髋c標準傳聲器的輸出電壓數(shù)值相比，可以通過公式(1)計算得出平面?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

——標準傳聲器自由場靈敏度級；

U

——標準傳聲器輸出電壓；

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

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。當聲源頻率發(fā)生變化時，平面?zhèn)髀暺鞯淖杂蓤鲮`敏度在頻率變化范圍內(nèi)波動。

按1/3倍頻程在校準頻率范圍內(nèi)選取校準頻率點，調(diào)節(jié)聲源頻率，參照平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準方法，分別測量標準傳聲器和平面?zhèn)髀暺鞯妮敵鲭妷?，利用公?1)計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?/h3>

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。當聲源的聲壓級發(fā)生變化時，平面?zhèn)髀暺鞯淖杂蓤鲮`敏度在聲壓級變化范圍內(nèi)波動。

在校準聲壓級范圍內(nèi)選取6個聲壓級，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`敏度級校準方法，分別測量標準傳聲器和平面?zhèn)髀暺鞯妮敵鲭妷?，利用公?1)計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?/h3>

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，被稱為平面?zhèn)髀暺鞯闹赶蛱匦詧D，由此可以看出，平面?zhèn)髀暺鞯膶嶋H測量結(jié)果與安裝角度具有非常重要的關(guān)系，指向特性是評價平面?zhèn)髀暺鞴ぷ魈匦缘囊粋€重要指標。

在校準頻率范圍內(nèi)選取一個頻率點，控制指向特性旋轉(zhuǎn)裝置帶動平面?zhèn)髀暺餍D(zhuǎn)特定角度，記錄此時聲波入射角，參照平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準方法，測量平面?zhèn)髀暺鞯妮敵鲭妷?，利用公?1)計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，計算得到相應(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 校準結(jié)果分析與驗證

依據(jù)本文提出的校準方法，選取美國PCB公司生產(chǎn)型號為130B40型平面?zhèn)髀暺髯鳛樾蕦ο螅瑢ζ渥杂蓤鲮`敏度級、頻率響應(yīng)特性、幅值特性及指向特性進行校準，校準結(jié)果見表1～5所示。通過對校準結(jié)果不確定度進行分析評定，與中國計量科學(xué)研究院和美國PCB公司依據(jù)聲校準器法給出的校準結(jié)果進行驗證，不同校準方法得出的校準結(jié)果存在偏差，但偏差未超出測量不確定度范圍，表明本文提出校準方法合理可信，驗證結(jié)果見表6。

表1 平面?zhèn)髀暺髯杂蓤鲮`敏度級校準結(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式Y(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式Y(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式Y(jié)果驗證Tab.6 thecalibrationresultvalidationofthesurfaceMicrophone測量單位中國計量科學(xué)研究院美國PCB公司本校準方法測量頻率/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)計要求，滿足在實際飛行過程中對氣動噪聲變化的監(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)境下動態(tài)特性校準方法的研究，實現(xiàn)了對平面?zhèn)髀暺鲗嶋H使用環(huán)境下頻率響應(yīng)特性、幅值特性及指向特性等動態(tài)特性的校準，有效的提高了飛行器氣動噪聲測試的準確性和可靠性。