SJ Z 9147-1987 采用互易技术对φ23.77mm标准电容传声器进行声压校准的精密方法.pdf

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1、中华人民共和国电子工业推荐性部采用互容传技术对c23. 77mm标准电器进行声压校准的精密方法Pleci si on method for pres8ure Cali bl.a ti on of r23.77mm Standard Conden草ermicrophone:; by the reciprocity technique 一一一一一一1 范围SJjZ 9147 87 IEC 327(1971) 本标准描述了作为实验室标准用的归3.77日1m电容传声器的校准，限定用糯合腔进行声压互易校准.2 目的本标准的目的是规寇可能达到最高精度的测量方法以测量标准电容传声器的实际性能，其详细规定是各

2、权威机构间校准对比的基础。虽然电容传声器的声压校准是一个普遍性的问，本标准仅限于通常所用的r23.77mm电容传声器。注a这些传声器的外部直径为O.936in，即23.77mm，更小尺寸的电容传声器推荐标准留待将来考虑.3术3.1 开路电压(Opencircuit voltage) 传声器的开路电压是指在规定的频率处，传声器电端不接负载时所呈现的电压.由于极头的容性，传声器电端的电压将与机械附件所产生的负载有关.本标准所规定的开路电压是指采用插入电压技术测得的传声器极头电端的电压。测量时传声器应连接于规寇的接地屏蔽结构上，除此之外没有其它负载(见6.2条及6.3条).单位t伏(V)。3.2 传

3、声器的声压灵敏度(Pressuresensitivity of a m!crophone) 传声器的声压灵敏度Mp是指在规定的频率处，传声器的开路电压与膜片暴露面(即传声器的声端)所存在的声压之比。该声压应均匀地施加在膜片表面.该比值是一复数，在不要求得到相位时，声压灵敏度仅指其模.单位z伏/帕(V/Pa). 注2声压灵敏度有时称为声压响应.中华人民共和国电子工业部1988-01-06批准1 SJjZ 9141-87 3. 2.1 传声器的声压灵敏度级(Pressuresensitivity level of a microphone) 传声器的声压灵敏度级是指传声器的声压灵敏度与参考灵敏度之

4、比的模的常用对数乘以20的值。单位z分贝(dB) 3.2.2 传声器的声压灵敏度相位角(Pressuresensitivity phase angle of a 口l1cro-phone) 传声器声压灵敏度相位角是指在规定频率灶，传声器开路电压与作用在膜片上均匀声压之间的相位角.单位:度(0)或弧度(rad)。3.3 传声器的电阻扰(electricalimpedance of a microphone) 传声器的电阻抗是指在规定l的频率处，施加在电端的电压与该电压所产生的电流的复数比.单位:欧姆(Q) 注s此阻抗是传声器膜片声负载的函数.3.4 传声器的声阻抗(Acousticimpedan

5、ce of a microphone) 传声器的声阻抗是指在规寇的频率挫，均匀作用在传声器膜片上的声压与膜片体积速度的复数比.单位z帕秒/米3(Pa.s/m3).注2该阻抗是传声器膜片声负载的函数.3.5 传声器的等效体积(Equivalentvolume of a microphone) 在封闭的糯合腔内进行互易校准时，通常用刚性腔体内气体的等效复数体积Ve表示传声器的声阻抗，表达式如下zu-M 一一V ( 1 ) 式中zH一-一比热骨;P.-静态压力;一一角职中Zz.一一传声器的声阻抗.单位:米3(m 3)。注2等效体积通常是一个复数，并且是频率的函数.在20c和Ps=105P.时，干燥空

6、气的H=1.4021在20.c和Ps=10Spa时，干燥氢气的H=1.406. 3.6 辑合腔(Copler)本标准规定在糯合腔上去装两个传声器以后，形成一个预寇形状和尺寸的空膛，作为传声器间声糯合的元件.3.1 电转移阻抗(Electricaltr ansfer im pedance) 在本标准中，两个搞合传声器系统的电转移阻传声器的输入电流之比.为接收传声器的开路电压与友送 2 SJjZ 9147-87 且甲 , 注s电转移阻抗是接地屏蔽结构的函数.3.8 声转移阻抗(Acoustictransfer impedance) 本标准中，两个声糯合传声器系统的声转移阻抗规定为作用在接收传声器膜

7、片上的声压与发送传声器所产生的短路体积速度之比.3.9 互易传声器(reciprocalmicrophone) 考虑一个线性无源传声器.在给定的单一频率上，设zP一一3.2条中所述的膜片上的声压:U一一传声器电端的电压:片的体积速度zi一一通过电端的电流.可以写出如下的传声器方程式:f Zl1i十Z12qU Z21i+Z22Q P 式中:Z11一一传声器膜片被锁定时的电阻抗:Z 22一传声器电端不带负载时的声阻扰.如果转移系数Z12和Z21满足Z12士Z21，则比传声器互易.注，用作实验室标准的电容传声器可以认为是豆易传声器，方程式。)可以改写为g式中:Ze Z l1, Za Z22; Z12

8、-土Z21M pZ a 4 何声器互易战4. 1 概述f Zei+MpZaq U lMpZai+Zaq P ( 2 ) (2) 传声器互易校准可以采用三个传声器，其中两个传声器必须是互易的;也可以采用一个辅助声源和两个传声器，其中一个必须是互易的.4. 1 . 1 采用三个传声器的一般原理用一个捐合腔使两个传声器相糯合。其中一个作为声源，另一个作为声接收器，测量接收传声器的输出开路电压与发送传声器输入电流的比值。若系统的声转移阻抗已知，就可确定两个相糯合的传声器的灵敏度乘积(见4.3条)。利用传声器(a)，(b)和(c)的成对组合，可以得到三个相互独立的灵敏度乘积，进而推导出三个传声器各自的声

9、压灵敏度表达式.4.1.2 采用两个传声器和一个辅助声源的一般原理首先用搞合腔将两个传声器搞合，求得这两个被辑合传声器的声压灵敏度乘积(见4.1.1 条).然后把两个传声器面对辅助声源所产生的相同声压。两个输出电压的比值等于两个声压灵敏度的比值.从两个传声器声压灵敏度的乘积和比值可以推导出两个传声器中任一个声压灵敏度的表达式.3 SJjZ 9147-87 一俨陶.由臼.鄙胁注g为了得到声压灵敏度的比值，广泛采用直接比较法，可以采用有源壁式藕合腔，例如用压电陶也制成的-口圳、且4.2 对精合腔的要求传声器声压灵敏度的定义规定在校准时整个膜片表面上的声压是均匀的.为了尽可能地符合这个起义，选择搞合

10、腔的结构尺寸时应满足5.2.11条的要求注2为了容易确寇搞合腔的声学特性，应采用刚性材料制造搞合腔.为了扩展频率范围，需要充入不同于空气的气体觅6.1)4.3 互易程序设传声器(a)和(b)的声压灵敏度分别为MY和M俨，两者用糯合腔进行声搞合。从互宁的电流ia所产生的短路体积速度(在膜片处P0)是Miaia，因此在传声器(b)声端的电压PbzZab14aia，式中Zab是系统的声转移阻抗.传声器(b)的开路电压将是z因此，声压灵4.4 Za ub=MY pbzM;a M;bZabia下式得出z的a)M俨=J.CJ a b Ub a 电路来(3) ，图中Z&)和Zb)相应于传声器()和(b)的声

11、阻扰.在某些情况下，可以通过理论算出Zabo假定糯合腔内部任何点的声压都是相同的(当搞合腔的结构尺寸远小于波长时就是这样的)，这个祸合腔表现为一个纯声)1院，由图2的等效电路可以得到U:1 1 , 1 . 1 一-一十一一一+n一=jZ-b zv zia zih式中:V-一糯合腔总的几何体积:V a)_一传声器(a)的等效体积2V b)一一传声器。)的等效体积zVab v+va)十Vb)的实部:HP Zvz7拔一一祸合腔本身的声阻抗.在较高频率上，尺寸不再远小于波长，zab的计算通常变得较复杂.如是圆柱形，直径正好等于传声器膜片的直径，在可以认为是平面波传输的系统都能够看作是一个均匀的传输线(

12、图3);这时由下式得出Zab: 1 r吟了+示了ih10Z 2 Za了Z 式中:Z 4 Vab 合膛的形状围内，整个(5) 一一所充气体的密度FC一一气体中自由空间的声速;S一一糯合腔横截面面积1=十jp一-传输系姐:SJ/Z 9147-87 10-一搞合腔长度，即两个膜片间的距问若卢(la)+lb)的数值很小，并且声系统的损耗可忽略不计时，这个表达式就近似于Ez h t副主仨立-s!n(plab)-/ HPs Jtab 式中:l&) V/s lP VP/S lab lo+Ha)+/P 4.5 热传导修正(6) 在上述的条文中，假定腔体是绝热条件下计算Z&bo然而在很低频率时，等温条件占优势，

13、腔体积好象增大了x倍.对于半径为a*度为l的圆柱腔体，若假定腔壁是理想的导热体，定的，则在方程式(10)和方程式(11)中所用的修正系数如下:LlH Ix一(俨1);?式中z=Cp h 定压比热z. .。m2e m=1 , 3 ,5 n=1 , 2 , 8 Cp h 气体的导热系数:t; Jo(占)0的正根.注s在附录A中列出了典型藕合腔的l01oglOH的近似值-4.6 毛细管半)z+(与+i 为了均衡糯合腔内外的静压强，通常在腔体上装有两个毛细管.这两个毛细管也可以充入与空气的成分不同的气体.在低频时，腔体的阻抗较高，必须考虑两个毛细管的分流效应.两个平行的相同长度和径的毛细管的声阻扰由下

14、式给出zZc旦旦2+;旦旦(nr2) 2 I I 3何r2式中:l每个毛细管的长度Er-一每个毛细管的半径z-一气体的粘度系.JV. (10)和(11)中所用的由下式输出，(8) 5 SJjZ 9147-81 Lc 11 + 2:Ll (9) 4.7声压灵敏度级的最终表达式4.7.1 使用三个传声器的方法v 将4.3条中的电转移阻抗丁?的模值简写为Rab，对其他的传声器对也用同样的表达方法.全部量值用国际标准单位制表示，在计入4.5条和4.6条的修正值后，相对于lVjPa的传声器声盟员敏度级的表达式为z+ 101og1 oL1H十101og1oLc对于传声器(b)和(c)可用类似的表达式.4.

15、7.2 采用两个传声器和一个辅助声源的方法如果只使用两个传声器和一个辅助声帅，-w .01 MP + 101og1 oL1H+ l01og1 oL1c z 上式中两个声压灵敏度的比值是采用辅助声源比较法测量的(见4.1.2条).5 绝对校5, 1 概述、(10) (11) 很多因素会影响互易校准的精度。除4，4和4，7条的公式中所出现的因素外，声压灵敏度尚受极化电压的影响.其它的因素，诸如膜片上声压分布不均匀性所产生的误差，实际上是正的。5, 2 影响校准精度的因影响上述校准方法的因素，应以实际上可能达到的最高精确度测量，测量各量时至少有下述精度.5.2.1 极化电压传声器的极化电压应以0，0

16、5伪的精5 2.2 静态压力J 应以0，1%的精 5.2.3 当频率直接地参加到声压灵敏度计算时，应以0.1伪的精度测量.若非上述情况，则精度为0.1%或1Hz中的较大者便足够了.5.2.4 电转移阻抗ab(见4.7条)应以0.1%的5.2.5 热传导修正热传导修正值H应以0.1%的 6. SJjZ 9147-87 5.2.6 毛细管修正毛细管修正系数L1c应以0.1%的精度测且-5.2.7 糯合腔的横截面积用于方程式(的中的精合腔的横截面积S，应以0.2伪的精度5.2.8 糯合腔的等效长度方程式(6)中的糯合腔的等效长度lab用于传声器的声阻 5.2.9 糯合腔的等效体积方程式(4)中的等效

17、体积Vab应以0.3%的精度测;Ia.5.2.10 糯合腔和传声器的合腔和传声器的温度应以1.C的 注s校准时，如果前置放温度尽可能一致.5.2.11 膜片上的声压分布接在接收传声器上， ，应以0.3侈的精度导，并且使腔和传声器的声压灵敏度的寇义要求声压均片上.然而在搞合腔的使用围高, 膜片表面上的声压不再是均匀分布.当施加对称激励时，纯圆柱形糯合腔的声场应是旋转对称的。由于传声器通常对其膜片中心部分的声压最灵敏，在膜片表面上具有旋转对称不均匀声压分布的传声器的输出电压与具有同样平均值声压均句分布的传声器的输出电压会有差别.在校准时，建议膜片表面上转对称声压分布的均匀性应优于士0.1dB，这时

18、从一个理想传声器输出的电压误差将不超过O.05dB(理想传声器是指一个机械和声学性能具有完全旋转对称的传声器).假如传声器的膜片不垂直对称轴，或者声源本身产生不对称声场，就会产生一个在整个合腔横截面上平均值为零并且具有非对称分量的声场.当波长不比搞合腔尺寸大得多时就会京生这种情况。这种非对称分布的声压并不影响理想传声器的输出电压，但对普通传声器会有影响，尽管这种影响是次要的。现在尚不能说明多大限度的非对称分布声压是可以允许的.5.2.12 声损耗Zab的简化表达式(方5.3 总精度)仅适用于Plab不超过2的围.互易校准所得到的总精度取决于辅助设备的精度以及安装搞合腔和传声器时是否仔细的操作.

19、如果上面规寇的度都能达到，估计在低频和中围总精度约为0.05dB，在1kHz时约降低到0.1dB. 6 方备6.1 糯合腔糯合腔的形状和尺寸应满足5.2.11条的要求.只要糯合腔的最大尺寸小于儿j20(儿是气体, 7. SJ/Z 9147-81 z 一一中的声波波长)，在糯合腔中的声压就基本上是均匀的并且与形状无关.在较高频率，除非合腔中充满氮气或氢气，这个要求是达不到的.糯合腔的示例见附录A.注g用于搞合腔尺寸与波长相比不是很小的那些频率上的圆柱形辑和腔，制造时应非常仔细，以致不激发非对称声场.改变相合腔和传声器的相对位置，例如把每一个传声器围绕它的轴线转动一下，就可以确定合腔中非对称芦压分

20、布对非理想传声器的影响.如果上述变化对电转移阻抗有影响，在评价总精确度时必须考虑这个影响.如果糯合腔内充入与空气不同的气体，应该用一薄层真空油脂密封接触面，仔细地避免气体滑到传声器膜片后面的空腔中去.如果有气体扩散穿过膜片，就不能再用这种方法校准传声器，因为不可能对膜片后面的气体密度和粘度的变化进行修正.6.2 接地屏根据3.1条，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，应该采用图4所示结构，其屏蔽套应当与地电位相连.若使用其它结构，测量所得的芦压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O.02dB.注s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

21、.6.3 插入电压技术插入电压技术(也称替换法)用于测定带有电负载的传声器的开路电压.将一个负载阻扰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扰与传声器相串联，并在其上施加一个校准电压.交替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.6.4 静态压力的影响具有声阻和声JI荫的空腔位于传声器膜片的后面，因而传声器声压灵敏度与静态压力有关.这种影响较小，它可以通过在不同静态压力下对同一个传声器进行互易校准来测定.6.5 极化电压为了达到规定的精度，极化

22、电压应在传声器极头端直接测且。6.6 糯合腔的有效长度径和传声器直径相等的精合腔的有效长度时，适当的方法是在计入传声器声阻抗后测定糯合腔的长度谐振。6.7 传声器的声阻抗假定传声器可以用3.9条中互易方程式(2a)所叙述的电声二端对网络来表示，根据测量电导纳Y的间接方法，就可以得出传声器的声阻抗。测量电导纳时，传声器的负载应该是一个1/4波长的管子方程式(2)中P0，从下式就可确定传声器的声阻抗zZe Y-l a=一万一(12) Ze是膜片受挡电阻扰。在足够高的频率，膜片的惯性有效地阻止了运动方程式。a)中 8 SJ/Z 9147-87 一q 0，就可测量确定.当采用大体积糯合腔时，若仅考虑传

23、声器声阻扰的虚数部分，所引人的误差可以忽略不计见方程式(4)中近似的导出式。测量它的合适方法是采用一个可调的半波谐振管。!吸次接入被测传声器和具有尺寸相同声阻扰无穷大的传声器哑头，在所测量的频率上将管长调节到谐振。管长度增量乘以横截面积就等于传声器的等效体积，也就是声阻抗的虚数部分.6.8 信号源的最大电压激励发送传声器的激励电压所引起的谐波畸变对声压灵敏度级的影响应小于0.02dB.6.9 噪声或串音干扰，不管来自声的还是电的，对传声器声压灵敏度级的影响应不大于O.02dB.可使用带通滤波器以改善信噪比。bfa) p , 8 ku p m喝啤喝En-a h， ?/a) a 合腔因1ii算声转

24、移固抗Z.b的等效电路Ma p 8 Za) a z v zb) a p b 罔2当搞合院尺寸小于波长时计算Zab的等效电路M( , i p , 8 Zb) a p b z(a) a Z, y, I 图3在精合!全中可以认为是平面波传输时计算Z仙的等效电路 9 一_，呻，.，.，中._，.，.月叩.，呵SJ/Z 9147-87 11.0士0.1吧。响。. 9.0 固定传声器的螺纹屏蔽套机械附加装置表示接地屏蔽参考结构的传声体外壳绝因410 SJjZ 9147-87 E一一一附壶A传声器按准用圆柱辅合腔的例子A_ 1 用于互易校准的精合腔应在接收传声器膜片表面上产生均匀的声压分布(见3，2条)。由

25、于存在着径向波动，这个理想条件只能是近似的。为了扩展搞合腔可使用的频率范围(只考虑径向波动)，使径向谐振频率尽可能高是有益的，这就要求直径小的稿合腔。实际上，合腔的直径不能小于膜片的直径。但是，对于一个给定祸合腔，用氢或氮等气体代替空气充入到祸合腔中，能够提高谐振(见6，1条)。理论上相合腔可用频率上限能够扩展的倍数等于氢(氮)与空气声速之比.然而必须指出，发送传声器胶片内部的波速几乎和祸合腔内的气体无关，因此并不和所充入气体的声速一样增加同样的倍数。使用封闭祸合腔进行互易校准的一个重要参量是整个系统的声阻抗Z.b (见4，3和4，4条)，必须要很精确地测量。在波长远大于棉合腔尺寸的频率范围，

26、整个搞合腔中声压分布是均匀的，zab由祸合腔的等放体职即由祸合腔几何体积与传声器等放体识之和确定见方式(4).在波长不比祸合腔的j尺寸大得多的频率范围内，由于存在着波动，除非相合腔具有很简单的形式，要得到理论表达式所表示的转移阻抗是困难的。方程式。)表示其直径等于传声器膜片直径的圆柱搞合腔的转移阻抗。对于其它情况，可以根据实验来确定波动修正。图Al和图A2表示两个相合腔的结构原理示意图，在图中所述的频率范围内满足本标准规定的精合腔要求可以选择图Al和图A2中毛细管的位置来适合个别装置，伊tlAl图Al中选择的相合腔直径等于传声器膜片的直径。此糯合腔充入空气时，在低于10kHz的频率范围内满足本

27、标准的要求，充氢气时可达到20kHz. 表Al列出糯合腔分别充入空气或氢气时，根据方程式(7)给出的热传导修正值。应该采用方程式。)或(6)来计算Z.b。例A2图A2所示相合腔的特点是具有较大的体积。相合腔的尺寸是这样选择的，使得纵向模式所引起的传声器膜片上声压增加部分地被径向模式的声压减少所抵消。使用图A3的波动正值，此搞合腔充入空气时，在低于2.8lEHz的频率范围内满足本标准要求，充氢气时可达到UI0k日z。表A2列出相合腔分别充入空琪氢气时，根据方程式(7)给出的热传导修正值.应采用方程式(4)来计算Zb 11. SJ/Z 9147-87 -一十一1专声器一十一一-飞._，_,- -.

28、, 盼。.四坦M巾忡忡怦绝缘体毛细管一一一一一-一一一一一，-一一-一-一一018.60土0.02一u) 俨、传声器标称值23.77、w充入氢气时适用到20kHz的精合腔无入空气时适用到10kHz，t引人1传声.叫现扭川忡忡绝缘体_ _ l_ 的。.。刊出旧.NF 42.88土0.03问0.04.。Illi- llllIll-称值)b18.6传声标智、值2 3.77 营m1l1 充入空气时适用到2，8kHz充入氢气时为10kHz的精合院ll 11 I I u_ 图A212 图A3经验P!tl汪的i组A2所示的栩合j臣民功修正。当搞合腔中充满空气时，测远的祸合院灵敏度级应加上修正当搞合腔中充满氧

29、气叶，可使用同样的修正，频率刻变乘以氢气中声波速度与空气中声波速度的比.者Al罔Al所示搞合腔充入空气或氢气时的热传导修正值 . ._.-H一-LE二Hz 125 250 500 1000 2000 4000 800n 16000 一)一一一一一-一吼一-一1010g10 L1 H O. 14 0.10 0.03 0.02 0.02 0.01 0.07 0.05 一i-叫四句啊四四16000 0.02 4000 。.01 4000 0.01 一 kHz 13 4 8000 0.03 2000 0.01 因A2所示搞合腔充入运气或氧气时的热传导修正值.，.，.，.-.，.-卢I一。.044000 1000 0.02 |50011000! (0081005i 2000 0.02 2 500 0.03 SJjZ 9147-87 250 一。.05l l -n 125 T 一一甲一一一。.15 0.07 O. 11 63 250 63 0.10 0.22 31. E 0.15 31. 5 125 0.5 咀:，_，表A2一一一一.,-, dB 一一1 Olog 1 O.L1H 1010g 1 0 L1 H loI0:;10 L1 H 空气Hz r. .1_ Z飞Hz Hz 氢气氢气一0.05一0.16-0.10 。-值.