520計量日 對171dB大聲說愛你

2021-02-20 BSWA聲望技術

原作者喬傑

      首先科普一下聽力保護,聲壓級的柱狀圖,實際生活超過110分貝的噪聲就很少聽見了。85dBA以上就對會對人耳產生傷害。

那麼更高的聲壓級出現在哪裡呢?

警用聲驅散器 140dB ,炮彈爆炸 150dB,航空發動機、火箭發射聲壓級會更高。
用高聲壓傳感器主要應用在火炮和自動武器、航空發動機和火箭發動機等噪聲源測試中。

針對這種用途我們進行分析

高聲壓傳聲器如何實現

如圖所示為測量傳聲器的內部結構,膜片與後極板形成電容,當聲壓作用在膜片上時,膜片發生形變導致與後極板的距離發生變化,進而改變電容的容量C,電容的電壓V也會跟隨C產生相應的變化。

通常情況下可以忽略膜片與後極板之間存在細小的空氣隙的反作用力,但當聲壓提高到一定程度,空氣隙產生的阻尼作用將增大到必須被考慮的程度,阻尼將抑制膜片的最大振幅,並使測量信號發生失真。

大的衝擊面前 要考慮空氣間隙,可以理解為空氣減震器了。

那麼可以不可以直接增加空氣間隙減少失真呢?

不可以

膜片愛壞還失真。

第一、膜片張力會突破極限,後極板距離遠了之後相互作用力(阻尼)也會變小。大的聲壓變化膜片會壞掉。

第二、阻尼變了以後還會引起高頻共振加劇。


那怎麼辦 ?

增加膜片張力。

張力和阻尼滿足 頻率範圍達到了8 Hz~20 kHz失真度小於(±2 dB)

側均壓和低頻頻響

  簡單的說就是需要一條靠前的通道快速平衡膜片前後的靜壓。避免靜壓突然變化情況下測量失真或者膜片損壞。尤其測量腔體內噪聲。

電容傳聲器本質上是通過膜片前後的壓力差來對聲音進行響應的。膜片前端暴露於外界環境中,其壓力隨外界壓力變化,而膜片後腔的壓力必須恆定不變,因此傳聲器後腔應完全密封,以保證測量的準確性。

然而,後腔完全密封的傳聲器又會面臨一些其它問題。某些應用中會出現外部靜壓發生較為快速的變化,比如大氣壓的變化(天氣現象和海拔高度變化都可能產生這種影響),或者當傳聲器位於腔體內,關閉或打開蓋子時,靜壓也會劇烈變化。此時,必須有某種途徑來使傳聲器後腔的靜壓儘快均衡到與外界靜壓一致。否則,傳聲器膜片將持續處於靜壓的壓迫下,不僅會對測量的結果產生不利影響(主要為降低靈敏度),甚至還會損壞傳聲器

通常,傳聲器會在後極板處人為預留均壓通道(如圖11),並最終在前置放大器處與外界連通,以進行壓力均衡,這種方式稱之為後均壓(Rear Vent)。均壓通道必須被設計得非常精確和高度一致性,因為過大的洩露會導致傳聲器低頻衰減,而過小的洩露會延長壓力均衡的時間。原則上,傳聲器的均壓時間常數應至少>0.05s(即<20Hz),實際上設計時間常數往往都>0.1s(即<10Hz)。

同時不要忘了還有前置放大器

這個傳感器輸出的電壓最大值還不可以超過前置的最大值。採用ICCP供電的前置放大器,最大輸入和輸出電壓均為6.0VRMS。

根據靈敏度和詳細計算可得出,靈敏度為0.5 mV/Pa的傳聲器能夠達到175dB;靈敏度為1 mV/Pa傳聲器在169 dB過載。

如果選購的麥克風這樣寫你就呵呵 就行了

ok !繼續

校準器

我們要研發一款測量到171dB以上的傳聲器還需要一個標準標準麥克風和一個校準器。標麥買BK就好了,校準器呢?(被測麥克風放校準器裡面和標麥克風)。

為什麼不用靜電激勵器校準呢 ?靜電激勵器遠遠達不到如此高的聲壓級。靜電激勵器EA002。

以前的高聲壓校準器 CA 915最大聲壓級只能達到160dB,所以也不行

那麼

那麼……

那麼只有重新開發一款高聲壓校準器了!工欲善其事必先利其器嘛。

方法就是利用發出波峰疊加反射波峰的能量疊加的原理。

基於北京聲望的SW4xx系列阻抗管,研製了CA925高聲壓校準器,如上圖右。經測試,在達到170dB聲壓級時典型失真小於0.5%。

基於CA925,我們對50支MP471S(調整過膜片材料、靈敏度和均壓方式的新傳聲器)進行了實測。如下圖所示,所有傳聲器都滿足失真不超過3%的研製要求,大多數傳聲器在170dB時失真小於1%,少數傳聲器失真超過1%,但仍低於1.5%。

壓力場頻率響應實測,在20 kHz以內都能滿足±2 dB的允差要求,在40 kHz處最大約為+7dB。

多支MP471S傳聲器的低頻頻響分布,測均壓方式經過仔細的設計和小心的調試,-3dB截止頻率被控制在5 Hz~6 Hz之間(時間常數為0.2 s~0.167 s)。

ok !大功告成 送最高計量機構 計量走起來

計量證書在文章最後。

高聲壓傳聲器搞出來了,怎麼用?單支不需要相位測試,多支相位匹配多用在噪聲源定位和管道互相關、傳遞函數測試中。


什麼叫相位匹配,簡單的說就是物理量信號進入傳感器到該物理量產生的電信號輸出傳感器之間的時間差要一致。

傳聲器相位響應的主要影響因素是膜片,包括膜片的張力、質量、厚度、材料成分等。正如世界上無法找到兩片一模一樣的樹葉,很難將任意兩支傳聲器的上述物理性質完全匹配,因此相位差是不可避免的。我們所能控制的,僅僅是一些力所能及的事情,比如使膜片的厚度儘量一致,張力儘量接近,剩下的——全都交給自然規律。最後如何相位匹配

但是耦合腔方法頻率小 不滿足要求,靜電激勵器信號小,增加信號不如加罩子降低環境噪聲影響。

傳統的傳聲器相位響應測量方法是耦合腔法(如上圖CA414傳聲器相位校準器),但受到聲源和腔內空間的限制,耦合腔法無法達到很寬的測量頻率範圍(一般<10 kHz),對於測試到40 kHz更是不可想像的。

採用靜電激勵法進行傳聲器的相位響應測試,通過與參考信號進行對比,可以得到傳聲器的絕對相位響應。

受靜電激勵的原理所限,傳聲器被交變靜電力激勵出的信號信噪比不高,在低頻容易受到外界噪聲的幹擾,導致測量誤差變大到不可接受的程度。為此我們專門研製了帶隔聲罩的靜電激勵器支架CS022(如下圖)。相比通過增加交變靜電力提高信號來增加信噪比的方法,通過降低噪聲來提高信噪比更加安全,並避免對傳聲器可能的損壞。

於是我們又做了帶隔聲罩的靜電激勵器支架CS022

我們分析了175隻MP471S的相位差分布。

觀察可知相位差隨頻率增加而增加。需要尤為注意的一點是,找出兩個相位差非常接近的傳聲器是很容易的,但如果需要相位匹配的傳聲器數量增加,則相位差不可避免的會發散。這一點從製造的角度很難改進的,所以傳聲器數量越多,相位差的限值必須相應的擴大。


最後最後 標註一下 MP471S技術參數和計量結果


典型頻響


那麼是不是本傳感器只能測到171dB呢?

這只是現有計量條件下的上限,再往上沒有計量條件了

詳細內容請參考《技術總結10 高聲壓傳聲器》

https://bswa.com.cn/web_download.action?code=A1

參考文獻

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北京聲望聲電技術有限公司            

經過二十幾年的努力,聲望技術已發展成為國內聲學測量的主要品牌,客戶遍及航空、航天、汽車、電子、家電,高校研究所和環保等領域。在國際市場上,聲望生產 的傳聲器已得到全球廣泛的認同,主要的聲級計廠家都會使用聲望傳聲器。在佔領OEM市場的同時,聲望技術也在積極地推廣自主品牌,在全球發展了28家經銷 商,在世界各地都可以買到聲望技術的產品。

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