GB T 6511-1986 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.pdf

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、 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

6、 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

7、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

8、 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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、 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

14、 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

15、 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

16、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

17、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

18、 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

19、 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

20、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

21、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

22、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