高低溫環(huán)境下聲傳感器校準技術研究

付強FU Qiang

（中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 引言

目前航空航天等領域試驗條件愈發(fā)苛刻，聲傳感器常面臨高溫或低溫測試環(huán)境。聲傳感器在此類高低溫環(huán)境下，靈敏度將會受到一定影響[1]，而目前校準手段無法反映出這一部分的變化。目前在公開可查的資料中，絕大部分高低溫環(huán)境下應用的聲傳感器均在常溫環(huán)境下進行校準，在室溫20℃～26℃范圍內(nèi)，如果聲傳感器靈敏度隨溫度變化系數(shù)小于0.017dB/℃，則忽略校準與應用溫度環(huán)境不同帶來的誤差[2]。

而在溫度影響情況下，如無法有效地對聲傳感器進行校準，修正聲傳感器靈敏度或輸出結(jié)果，則會對聲傳感器的測量結(jié)果帶來較大誤差。

高低溫環(huán)境下聲傳感器校準技術研究需求較為迫切，該技術對當今高低溫環(huán)境噪聲測試的準確性保證具有重要意義。本文即從此需求出發(fā)，研究高低溫環(huán)境下聲傳感器校準技術，并初步設計了基于比較法的高低溫環(huán)境下聲傳感器校準耦合腔，經(jīng)初步試驗，可以對高低溫環(huán)境下聲傳感器進行校準，具有較好的可行性。

1 比較法校準基本原理

由于表面聲傳感器屬于工作聲傳感器，不具有互易性，不能發(fā)聲，因此采用有源耦合腔，即腔內(nèi)存在聲源的方式[4]，使標準聲傳感器與被校準聲傳感器均有輸出，通過比較輸出結(jié)果對被校準聲傳感器進行校準，公式[3]為

式中：U0為標準聲傳感器輸出電壓；M0為標準聲傳感器靈敏度；U為被校準聲傳感器輸出電壓；M為被校準聲傳感器靈敏度。

可知，已知標準聲傳感器靈敏度，測得標準聲傳感器與被校準聲傳感器輸出電壓，即可計算被校準聲傳感器靈敏度，但前提是耦合腔內(nèi)聲場在軸向上均勻分布，標準聲傳感器與被校準聲傳感器測得的是同一聲壓值。

2 溫度對聲傳感器的影響機理

膜片等彈性部位對聲傳感器靈敏度起主要作用。然而，膜片等彈性部位往往受溫度影響較大，比如對于某些彈性材料，高溫容易使其膨脹，低溫容易使其收縮，產(chǎn)生應力，而結(jié)構(gòu)中不同零部件的膨脹或收縮系數(shù)又不同，又會產(chǎn)生額外應力，從而直接影響聲傳感器的靈敏度[4]。

以目前最普遍的電容式聲傳感器為例，其開路靈敏度的一般表達式推導簡化后如下[5]：

式中S0為開路靈敏度，U0為極化電壓，r為振膜半徑，D0為兩極板初始間距，T為膜片張力。其中膜片張力與膜片自身彈性模量有關：

式中E為楊氏彈性模量，a為系數(shù)，不同的結(jié)構(gòu)設計、預安裝情況等，a均不相同?？芍て瑥埩εc楊氏彈性模量成正比。綜合式（2）與式（3），化簡其中常量，可知電容式聲傳感器開路靈敏度與膜片彈性模量有關：

而根據(jù)材料基本物理性能可知，溫度影響膜片的彈性模量，進而影響電容式聲傳感器靈敏度特性，校準裝置設計上需要重點考慮聲傳感器膜片處溫度控制的準確性，而非柵罩外表面。

3 方案實施

3.1 總體設計

其基本原理是在常規(guī)耦合腔基礎之上，在耦合腔內(nèi)部建立高溫與低溫的調(diào)溫結(jié)構(gòu)?？紤]到本項目溫度跨度相對較大，與室溫相差也較大，通過氣體加熱制冷較為難控制，因此采用了可控性相對較好的液體介質(zhì)進行溫控，具體高溫采用油液進行加熱，低溫采用酒精進行制冷。如圖1所示。

圖1 低溫比較法耦合腔

3.2 高低溫管路與恒溫槽設計

在常用的加熱介質(zhì)中，油液是較為常用的一種介質(zhì)，沸點高，成本低，萬一泄露不易揮發(fā)，環(huán)保無毒，因此作為加熱介質(zhì)的首選，然而油液屬于非晶體，隨溫度降低逐漸粘稠，目前最低溫度的油液介質(zhì)為硅油，極限能滿足-40℃～150℃的溫度，而-40℃剛好為本項目溫度范圍下限，考慮到管路溫度損失等因素，在-40℃極限點上不容易準確控制硅油溫度，因此需要備選一款低溫制冷介質(zhì)，如果硅油不能滿足要求，則使用該低溫制冷介質(zhì)供-40℃附近使用。

常用的低溫制冷媒介主要有酒精與氟化物，如g期氟利昂以及現(xiàn)在的R32等冷媒。考慮到成本與環(huán)保性，首選酒精，其缺點為易燃，然而如R32等氟化物也可燃，且燃燒氣體有毒，綜合考慮并不如酒精，因此酒精為首選，氟化物為其次。

高低溫管路根據(jù)經(jīng)驗選取內(nèi)徑約5mm，壁厚約0.5mm可滿足需求。

管路內(nèi)介質(zhì)流動按照極限40ml/s計算（約為1/4管路容積），油液密度不超過0.95g/cm3，可得總質(zhì)量約為38g。則極限情況下，從室溫20℃在1s內(nèi)升溫至100℃，油液比熱一般為2.14J/g℃，則最大實際加熱功率為2.14×38×80=6505W。酒精計算過程相同，不再重復，可得制冷功率約為4000W。以上為加熱制冷功率極限值，滿足此功率則能夠滿足需求。

恒溫槽具體工作原理與結(jié)構(gòu)如圖2所示。恒溫槽利用金屬殼板隔離出攪拌區(qū)，介質(zhì)的加熱與制冷都在攪拌區(qū)攪拌區(qū)內(nèi)完成，加熱與制冷如上所述，高溫采用電阻絲加熱，低溫采用壓縮機制冷，攪拌電機在工作期間不停進行攪拌，來保證攪拌區(qū)內(nèi)介質(zhì)加熱制冷均勻，并使恒溫槽內(nèi)介質(zhì)遵循箭頭方向做定向流動。恒溫槽對外界循環(huán)則采用循環(huán)泵作為流動動力，向外界第二溫場，即耦合腔提供恒溫介質(zhì)。恒溫槽內(nèi)介質(zhì)通過反饋溫度計進行溫度控制。

圖2 恒溫槽設計原理

3.3 耦合腔設計

其基本設計思路為溫場與聲場各自成為獨立封閉空間，盡量避免溫場對聲場帶來較大干擾。高低溫耦合腔的3D結(jié)構(gòu)設計方案如圖3所示。

圖3 高低溫耦合腔3D結(jié)構(gòu)設計方案

主要部件結(jié)構(gòu)分解如圖4所示，第二溫場為耦合腔頂部的外恒溫槽，為封閉結(jié)構(gòu)，頂端設計介質(zhì)進口與介質(zhì)出口，以及聲傳感器插口。聲學腔體為耦合腔下半部分，即耦合腔主體，分為耦合腔上蓋，耦合腔下半腔與聲源。其中耦合腔上蓋負責與外恒溫槽配合；耦合腔下半腔負責提供封閉的聲場環(huán)境，聲源則提供校準聲場。

圖4 高低溫耦合腔主要部件結(jié)構(gòu)分解

對外恒溫槽進行更為細化的結(jié)構(gòu)分解，如圖5所示，可分為恒溫槽上蓋與恒溫槽槽體。恒溫槽上蓋上共有兩對接口，分別負責與高低溫介質(zhì)管路以及聲傳感器對接。恒溫槽槽體本身為圓盤形小腔體，容納高低溫介質(zhì)，為聲傳感器提供高低溫環(huán)境，其中設計了聲傳感器插槽，由圖5可見，當恒溫槽上蓋與恒溫槽槽體密封結(jié)合后，高低溫介質(zhì)管路接口仍與槽體內(nèi)腔相同，從而使介質(zhì)能夠循環(huán)流動，但聲傳感器插槽與聲傳感器接口配合后，則徹底與槽體內(nèi)腔隔斷，進而保證聲傳感器與介質(zhì)隔斷，通過聲傳感器插槽的壁面導熱來調(diào)節(jié)聲傳感器溫度，從而避免介質(zhì)對聲傳感器造成損壞。而此外，當恒溫槽上蓋與恒溫槽槽體密封結(jié)合后，對耦合腔內(nèi)腔也徹底隔斷，同樣避免介質(zhì)對聲源造成損壞。且恒溫槽槽體底面設計尺寸較厚，也可以有效降低溫場對耦合腔內(nèi)聲場的影響。

圖5 恒溫槽結(jié)構(gòu)分解

綜上所述，恒溫槽通過管路與第二恒溫槽形成內(nèi)部循環(huán)，持續(xù)提供恒溫介質(zhì)，通過聲傳感器插槽的壁面為聲傳感器提供高低溫環(huán)境。而與之隔離的耦合腔內(nèi)則由聲源提供聲場環(huán)境，從而對聲傳感器進行高低溫環(huán)境下的聲學校準。

4 試驗驗證

4.1 溫度試驗

環(huán)境條件：室溫：20±5℃；濕度：不大于85%RH。

儀器設備：鉑電阻：1支，用于溫度測量；溫度范圍：-73℃～260℃；測溫誤差：±2℃。

溫度采集系統(tǒng)：1套，用于溫度采集與顯示；型號：34461A；精度：6位半。

試驗設定若干溫度點點位，溫控采用現(xiàn)有的PID控制模塊，一段時間內(nèi)記錄了耦合腔聲傳感器插槽內(nèi)約膜片位置的的升降溫與溫度保持情況，如表1所示。

表1 溫度試驗

可見本文方法可以建立一個穩(wěn)定的高低溫耦合腔環(huán)境，溫控范圍可以達到-40℃～100℃，溫控精度可以控制在±1℃以內(nèi)，能夠供聲傳感器進行校準試驗。

4.2 耦合腔比較法校準試驗

環(huán)境條件：室溫：20±5℃；濕度：不大于85%RH。儀器設備：參考聲傳感器：B&K 4189，已知溫度靈敏度（用戶手冊），用于比較法中的參考聲傳感器；被校準聲傳感器：聲望MPA201，假設未知溫度靈敏度（實際已知，廠商提供修正系數(shù)）。采集卡：1套，用于聲信號采集；型號：NI 9234；采樣率：51.2kHz。試驗選用250Hz參考頻率點作為試驗頻率，溫度范圍-10℃～50℃（-10℃以下、50℃以上暫時缺乏參考對象或數(shù)據(jù)，不能判斷其有效性），記錄被校準聲傳感器實際校準獲得的靈敏度，以及根據(jù)廠商建議修正系數(shù)計算的理論靈敏度，如表2所示。

表2 耦合腔比較法校準試驗

繪制成曲線如圖6所示。

圖6 耦合腔比較法校準試驗

可見，本文方法可以較為有效地對聲傳感器的高低溫環(huán)境下靈敏度進行校準，參考理論靈敏度，定性方面能夠反映出聲傳感器靈敏度隨溫度變化的正確趨勢，定量方面，以目前溫度范圍，實校值與理論值偏差[6]不超過0.5%，可以驗證其可行性與有效性。

5 結(jié)論

本文研究一種高低溫環(huán)境下聲傳感器比較法校準技術，從聲傳感器受溫度影響的機理入手，設計了高低溫耦合腔及配套管路、恒溫槽等，在保證物理隔斷的情況下，利用流動高低溫介質(zhì)對聲傳感器進行溫度控制，從而使聲傳感器可以在高低溫環(huán)境下校準。本文通過溫度試驗，驗證了本文方法可以建立一個穩(wěn)定的高低溫耦合腔環(huán)境，溫控范圍可以達到-40℃～100℃，溫控精度可以控制在±1℃以內(nèi)，能夠供聲傳感器進行校準試驗。通過耦合腔比較法校準試驗，驗證了本文方法可以較為有效地對聲傳感器的高低溫環(huán)境下靈敏度進行校準，參考理論靈敏度。本文實校靈敏度定性趨勢一致，定量偏差不超過0.5%，具有可行性與有效性。未來工作進一步研究高低溫環(huán)境下的耦合腔互易法，向上打通溯源鏈，使量值溯源有據(jù)，同時獲得溫度范圍更寬、數(shù)值上更為準確的參考值，為高低溫聲傳感器提供更可靠的校準數(shù)據(jù)，從而進一步保障高低溫環(huán)境下噪聲測試的準確性。