12.7mm电容传声器耦合腔互易法校准

　　0　引言

　　随着传声器技术的发展,12.7mm电容传声器已广泛应用于声学测量的各个领域。它的主要优点是尺寸小,引起声场的散射小,目前12.7mm电容传声器的数量已远远超过25.4mm电容传声器,成为国际声学界以及IEC TC29所关注的问题。国际电工委员会于1992年以后发布了IEC1094系列国际标准,德国PTB也已建立了12.7mm电容传声器耦合腔互易法声压校准装置和自由场互易法声压校准装置丹麦B&K公司于80年代末推出可以对25.4mm和12.7mm电容传声器进行耦合腔互易校准的4143型互易校准仪产品,并于1997年推出计算机全自动控制的9699型互易校准系统,并使25.4mm电容传声器互易校准的频率范围扩展到20～12589Hz,12.7mm电容传声器互易校准的频率范围扩展到20～25000Hz。

　　中国计量科学研究院于1965年建立了耦合腔互易法声压基准,并1987年至1990年对其进行了技术改造,使25.4mm电容器传声器在50～2000Hz频率范围内校准不确定度由0.1dB提高到0.05dB(包含因子k=3),保证了声压量值的准确传递,同时对12.7mm电容传声器耦合腔互易法校准做了大量的研究工作。本文对计量院的12.7mm传声器耦合腔互易法技术的研究工作作初步的介绍。我们的目的是,跟上国际先进水平的发展,从而为建立12.7mm电容传声器耦合腔互易法声压基准做好技术准备。

　　1　耦合腔互易法原理

　　电容传声器是一种线性、无源、可逆的换能器,既可作为声接收,也可作为声发射。其工作原理可用公式(1)和(2)表达:

　　式中,P——膜片上的声压;Zak——开路时传声器的声阻抗(I=0);q——膜片的体积速度;——与频率无关的耦合系数;ω——角频率;Cei——传声器的电容量(q=0);I——电流;U——传声器的端电压;Zei——膜片静止时传声器的电阻抗。

　　传声器的开路声压灵敏度可由下式定义:

　　由(1)式和(2)式导出

　　设传声器a和b的声压灵敏度分别为Mp,a和Mp,b,两者用耦合腔进行声耦合,当在传声器a的电端输入电流Ia,传声器b的电端即产生开路电压Ub,则两个传声器的灵敏度乘积等于:

　　式中,Ub/Ia——系统的电转移阻抗;(Zak)ab——系统的声转换阻抗。

　　将三只传声器两两耦合,可得到其它传声器对子的灵敏度乘积,计入热传导、毛细管等修正,即可分别求得每只传声器的灵敏度级。

　　2　12.7mm电容传声器的互易校准

　　12.7mm电容传声器的互易校准使用丹麦B&K公司的4143型互易校准仪及三只4180型标准电容传声器进行。三只传声器的灵敏度级Sp分别由下式给出:

　　2.1　耦合腔的实际参考极

　　耦合腔的实际参考极Lref为: