GB6511-1986-T 采用互易技术对φ23.77mm 标准电容传声器进行自由场校准的精密方法

中华人民共和国国家标准采用互易技术对标准电容传声器进行自由场校准的精密方法发布实施国家标准局发布中华人民共和国国家标准采用互易技术对标准电容传声器进行自由场校准的精密方法国家标准局发布实施本标准规定了采用互易技术对标准电容传声器进行自由场校准的精密方法其详细规定是各权威机构间校准比对的基础本标准仅适用于电容传声器由于对校准方法及影响校准准确度的诸因素作了详细介绍和分析因此可以估算校准总准确度本标准等效采用国际标准采用互易技术对英寸标准电容传声器进行自由场校准的精密方法名词解释开路电压在给定频率下传声器开路电压是指传声器处于开路情况下出现在传声器电端的电压传声器电端的电压与传声器的附加装置所造成的电负载有关本标准所规定的开路电压是指利用插入电压技术测出的传声器极头电端电压见及测试时传声器应连接于本标准所规定的特定接地屏蔽结构上除此之外没有其它电负载单位传声器自由场灵敏度在给定频率的正弦声波作用下传声器自由场灵敏度是指传声器开路电压与传声器置入声场前在传声器声中心位置的声压之比这个比值是一复数在不要求得到相位时自由场灵敏度仅指其模量声场应当是自由场条件下的平面行波自由场灵敏度与声波入射角有关除非另有规定相对于传声器主轴的入射角应为零度单位注自由场灵敏度有时称为自由场响应当频率足够低时由传声器引起的声场扰动可以忽略自由场灵敏度近似等于声压灵敏度传声器自由场灵敏度级传声器自由场灵敏度级为为参考灵敏度其值为单位传声器自由场灵敏度相位角在给定频率下传声器自由场灵敏度相位角是指其开路电压与传声器置入声场前传声器声中心所在位置上的声压之间的相位角单位或传声器的电阻抗传声器电阻抗是指作用于传声器电端的电压与由此引起的电流的复数比它是频率传声器膜片声负载和地屏蔽结构的函数单位传声器的声阻抗在给定频率下传声器声阻抗是指均匀作用于传声器膜片上的声压与膜片体积速度间的复数比传声器电端应处于开路状态单位传声器的声中心处于发送状态的传声器在给定频率下在规定的方向和距离上其声中心是测点附近小范围内所接收到的近似球面波波阵面中心注互易传声器处于接收状态时其声中心和处于发送状态的声中心是相同的传声器主轴传声器主轴是通过传声器膜片中心并垂直于膜片的直线自由场条件自由场条件是指声波能自由传播没有任何扰动互易传声器线性无源传声器在给定信号频率下传声器方程可以写成式中作用于膜片上的声压复数传声器电端电压复数膜片体积速度复数通过传声器电端的电流复数传声器受挡阻抗传声器电端开路状态下的声阻抗如果转移系数和满足则此传声器互易当声压不均匀作用于膜片上时例如在高频情况下传声器置于平面波声场中其声端位置是不明显的在这种情况下对方程中的需要作出专门的说明见对任何互易换能器在给定的方向上可以用一个点换能器来等效具有远场条件下发送和接收特性的真实换能器这等效点换能器位于真实换能器给定方向的声中心位置上见自由场互易校准原理概述传声器互易校准可以采用三传声器法其中至少两个传声器必须是互易的也可以采用辅助声源法一个辅助声源和两个传声器其中一个必须是互易的注本标准所述的三传声器法系指假定三个传声器均为互易传声器三传声器法的一般原理将两个传声器相对置于自由场中其中一个作声源另一个作接收器测出接收传声器开路电压及发送传声器的输入电流当系统声耦合特性已知时则可以得到这两个相对放置的传声器自由声场灵敏度积见顺次组合放置传声器可以得到三个独立的灵敏度积从而求得这三个传声器各自的自由场灵敏度两个传声器和一个辅助声源法的一般原理首先将两个传声器相对置于自由场中处于声耦合状态求得该两传声器的自由场灵敏度积见然后把两个传声器轮流置于辅助声源产生的自由场中相同的位置上求得两传声器自由场灵敏度比这样就可求出每个传声器的自由场灵敏度声学条件传声器自由场灵敏度取决于自由传播的平面行波声压自由场条件下声源远场是球面波声场在离声源足够远处的有限范围内可以近似为平面波因此发送传声器和接收传声器之间距离应足够大以确保在围绕接收传声器的适当范围内近似为平面波见另外环境干扰的影响随两个传声器之间距离的增加而增加因此声学条件必须满足需要传声器的接收和发送特性设传声器置于声压为的自由平面场中传声器等效电路如图图表示实际作用声压是当传声器声端受挡时声压是传声器辐射阻抗设与之比为是散射因子它是频率与入射到传声器膜片上声波入射角的函数与传声器几何形状有关由于互易方程可以写成根据定义可得到自由场灵敏度为如果传声器在自由场中处于发送状态其等效电路如图图由于方程可写成所以对于互易传声器来说当它作为发送器工作时在其远场中传声器的作用相当于一个声源强度为的点源在距离处声压为式中传声器声中心到观察点间距空气密度频率声波波数声速时间注式推导是将传声器作为集总参量来处理比较严密的推导是对传声器方程使用积分形式互易程序将自由场灵敏度为和的传声器和相对置于自由场中并使其参考轴重合当电流通过传声器的电端时在自由场条件下距离传声器声中心处将产生一个声压当传声器置入声场此时应视为传声器声中心间距假定在这两传声器间没有干涉发生在传声器的电端开路电压为因此自由场灵敏度积为空气中声衰减在实际情况中由于分子弛豫效应和热粘滞衰减引起声波在自由场中传播的衰减衰减值取决于声波频率空气温度及湿度考虑到空气衰减在式中引入衰减系数因此式可写为自由场灵敏度表达式三传声器方法考虑到所述的修正传声器的自由场灵敏度表达式为式中分别为传声器组合时测得的电转移阻抗模量分别为传声器组合时测得的声中心间距频率空气密度空气中声波衰减系数传声器和可获得类似的表达式注空气中声波吸收的修正可以在未经修正的传声器的自由场灵敏度级上见加上附加项来得到附加项为其中是声波在空气中的衰减值单位的值见附录两个传声器和一个辅助声源法考虑到所述修正传声器的自由场灵敏度最后表达式为对于传声器可有类似于式的表达式见校准的绝对准确度概述除了在式中出现的一些因素外还有一些因素将影响互易校准的绝对精度自由场灵敏度取决于极化电压及其它一些因素如校准实际上是在球面声场中进行而不是在平面波声场中进行这将使校准产生偏差这种偏差的修正实际上是困难的影响校准的一些因素的准确度对于以已知方式影响校准的因素必须以切实可行的高准确度进行测量下述各量至少应以下面所规定的准确度进行测量极化电压传声器极化电压的测量准确度应为空气密度空气密度的测量准确度应为注空气密度是静压和温度的函数可用下式计算式中静压绝对温度频率当频率直接参与自由场灵敏度计算时其测量准确度应为否则在允差为或中取较大的一个电转移阻抗电转移阻抗如见的测量准确度为空气衰减修正空气衰减的修正值准确度应为见及附录传声器声中心间距传声器声中心间距测量准确度为平面波偏差为了保证在接收传声器周围的平面波条件规定在校准时两传声器间距应大于在这种情况下传声器膜片上声压分布偏差不超过这相当于引起开路电压的误差为自由场偏差在校准时声源和接收传声器之间的范围内声压与距离成反比规律偏差应不大于总准确度由互易校准可达到的总准确度取决于辅助校准设备的准确度以及用于校准中计量设备的稳定度和结构如果达到上述给出的准确度则校准总准确度为注测试重复性的标准偏差应比上述总准确度小得多校准方法和设备自由场校准应在自由场中进行获得这种条件的最可行的办法是消声室这种环境不受风和空气噪声的影响由于布置在墙上的吸声材料的非理想特性及房间尺寸的限制壁面的反射造成了声场对于声压与距离反比规律的偏离偏离的大小取决于离开声源的距离和方向一般说来在消声室中心区域附近并且沿既不平行也不垂直于任意一个壁面的方向上可获得声场的最小偏离但支架工作网电缆和各种支撑会增加对声场的干扰只要在校准时注意这些干扰的影响可以减小到可接受的程度传声器膜片之间可能形成驻波为减小这一效应可使两传声器膜片间成几度的夹角接地屏蔽参考结构根据开路电压应当在加有特定接地屏蔽结构的传声器电端测量为此目的可以采用图所示结构屏蔽套应当与地电位相连图若使用其他结构测试所得的声压灵敏度或声场灵敏度与采用接地屏蔽参考结构所测得的相应值之差应小于注作用于传声器中心电接触点的最大力不应超过制造厂规定的极限插入电压技术插入电压技术也称置换法用于决定带有电负载的传声器的开路电压将一个负载阻抗接到具有确定开路电压和内阻抗的传声器上为测量传声器的开路电压将一个比负载阻抗小得多的阻抗与传声器相串联并在其上施加一个校准电压交替地施加声压和同频率的校准电压调节校准电压使其在负载阻抗上所产生的电压降与声压作用于传声器上所产生的电压降相等此时校准电压即为传声器开路电压声负载传声器自由场灵敏度取决于包括前置放大器在内的传声器的几何形状基于这一原因建议应将传声器和接地屏蔽见接到一圆柱体上圆柱体直径等于传声器的标称直径其长度应大于传声器直径此装置也适用于发送传声器与静压的关系传声器膜片后腔的声阻和声顺与静压有关因而传声器灵敏度与静压有关它可以通过在不同静压下的互易校准来确定极化电压为了达到规定的极化电压精度极化电压应该在传声器极头端直接测量传声器声中心如规定传声器声中心位置可以通过在自由场中测试传声器的辐射声压来加以确定该声压是测量点与传声器上任意选定的参考点一般选传声器膜片中心为参考点之间距离的函数在远场的任何有限区域中声压将遵循声压与距离成反比规律将声压的倒数值作为离开选定的传声器参考点之间距离的函数作图通过这些点连一直线这直线与横轴的交点可用来确定相对于参考点的声中心位置声中心同自由场校准时的取向和间距有关它用于确定或等见及典型传声器结构的声中心位置在附录中给出振荡器的最大输出电压激励发送传声器的激励电压所引起的谐波畸变对自由场灵敏度级的影响应小于噪声噪声或串音干扰不管来自声的还是电的对传声器自由声场灵敏度级的影响应不大于可使用窄带滤波器以改善信噪比附录空气衰减值表补充件下述各表中列出了作为频率温度和相对湿度的函数的空气中声衰减值各表所列值在距离内有效等于表中数值乘以表示每米衰减的分贝数表空气中声衰减值相对湿度衰减值频率温度续表相对湿度衰减值频率温度续表相对湿度衰减值频率温度续表相对湿度衰减值频率温度续表相对湿度衰减值频率温度附录传声器声中心位置补充件根据定义传声器声中心位置取决于取向频率以及观测点至换能器的距离对足够远的观测点膜片中心即可作为声中心但在互易校准中一般的校准距离范围是在这种情况下可利用下述图和表中给出的数值图和表中数值的准确度在计算自由场灵敏度时所引起的误差小于对于三种类型的标准传声器下述图表给出了垂直入射时相对于膜片表面的声中心位置与频率的函数关系正号表示声中心位于膜片的前方传声器结构图垂直入射时相对于膜片的声中心位置表垂直入射时相对于膜片的声中心位置传声器结构图垂直入射时相对于膜片的声中心位置表垂直入射时相对于膜片的声中心位置传声器结构图垂直入射时相对于膜片的声中心位置表垂直入射时相对于膜片的声中心位置附加说明本标准由中华人民共和国电子工业部提出本标准由南京大学负责起草本标准主要起草人陶擎天