测试传声器的高声压级校准

    1 引 言

    在航空、航天某些领域中,空气声测量有时达到170dB以上,在这样高的声压级下会对人体和某些仪器部件产生严重的影响,引起失效,误操作等。因此,要求用于这些场合的测试传声器不仅要有较宽频率范围还要有较宽的动态范围。为了保证测量结果准确有效,需要有相应的校准方法来覆盖这些范围。目前,基于自由场和压力场的互易校准技术相当完善,校准不确定度在频率范围10Hz~25 kHz内可达0. 3 dB。然而,这些校准方法都局限在很窄的动态范围内。因此,需要有满足要求的校准设备和校准方法,可在一个很宽的动态范围内尤其是在高声压级上(>150 dB)对测试传声器进行校准。

    通常测试传声器都是在声压级为94 dB和124dB上校准,有时可达160 dB。超过160 dB的校准变得非常困难。其难点在于很难找到可同时满足失真度小和动态范围宽的高声压级校准源。

    本文将从原理上和结构上分析测试传声器在高声压级下的非线性特性,介绍一种采用谐振耦合管原理的高声压源以及以此为核心的高声压级校准装置,括其原理、有关技术参数、校准方法和不确定度分析等。

    2 测试传声器在高声压下的特性

    以测试电容传声器为例,其结构原理如图1所示。

    膜片与后极板间形成了一个电容,电容的电荷量通过外接极化电压提供,这个电荷量是极其稳定的。当声压作用在膜片时,膜片产生运动,而后极板发生变化,引起两者间的电容变化,形成相应的电压变化量,这个电压变化量可通过前置放大器的一个电容将它与极化电压分离出来,工作原理如图2所示。

    电容传声器输出电压的瞬时值可由库仑定律导出

E•C =Q0(1)

    膜片与后极板之间的电荷保持不变,则

    式中: A—电容极板的面积,m2;C—板间的瞬时电容,F;D0—静止时极板间的距离,m;d—运动膜片离开静止位置的距离,m; e—膜片运动位移产生的电压变化量,V;E0—极板间相对静止时的电压,V;Q0—极板间的恒定电荷,C;E—空气介电常数,F/m。

    从式(3)得出,电容传声器的输出电压正比于膜片的位移,换句话说,两者之间存在着线性关系,即使是与之对应的电容量变化是非线性的。

    测试电容传声器具有很宽的动态范围(140dB),下限由固有噪声级决定,上限由膜片的位移决定。在高声压级作用下,膜片会产生运动失真,从而导致传声器输出的非线性。在规定某一失真度时,电容传声器测出的声压级即为动态范围上限。传声器的线性度和动态范围上限是描述传声器高声压级的两个最主要的特性参数。

    3 采用谐振耦合管的高声压级校准源