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细说传声器

声学测量中最常用、最基本的测量参数是声压。测量声压必然要使用声压传感器,也称为传声器或麦克风等。当今测量声压普遍使用电容式传声器,因此,在这里主要介绍电容传声器以下方面:

1.    传声器构造;

2.    常见的传声器类型;

3.    性能指标;

4.    声场应用类型;

5.    测量传声器附件;

5.    怎样选择传声器。

 

1. 传声器构造

传声器的结构和外形如下图所示,由非常薄的振动膜片和紧靠膜片的背板组成一个电容器。振膜可以是绷紧的金属膜片或涂有金属的塑料膜片,通常极化电压为200V,或者是预极化的驻极材料制成。当膜片受到声波作用时,其电容量发生变化从而产生交变电压,形成变化着的电信号输出。

当膜片受到压力作用时,振动的位移是非常小的。如果将1/2"的传声器直径放大10亿倍,那么其直径与地球直径相当,此时,膜片厚度约为2Km,膜片与背板的距离约为20Km,如下图所示。当膜片受到声压级为40dB的声波作用时,其位移也只有10mm。所以,当膜片受到声波作用时,其位移是非常非常小的,因而输出电容也非常非常小。另一方面,如果没有声波作用到传声器时,由于周围空气压力的起伏和传声器电路的热敏噪声等原因都导致传声器存在杂散电容。

为了提高传声器的灵敏度,应该减少杂散电容,因此,传声器极头(也称咪头)常和第一级前置放大器靠得非常近。一个完整的传声器由极头和前置放大器组成,如下图所示。由于电容传声器的电容量很小,故需要一个高阻抗负载以保证具有低的下限截止频率。

传声器的直径,有些国家采用英制尺寸系列,如1",1/2",1/4"和1/8",也有些国家采用毫米单位,对应的尺寸为24mm,12mm,6mm和3mm,最常用的为1/2"传声器。

 

通常传声器直径尺寸大,灵敏度高,频率范围窄,可测的声压级下限低,如GRAS 46AE 1/2"自由场传声器的灵敏度约为50mV/Pa,频率范围15-20KHz,动态范围17-138dB。直径尺寸小,灵敏度低,频率范围宽,可测的声压级下限高,如GRAS 46BE 1/4"自由场传声器的灵敏度约为4mV/Pa,频率范围4-20KHz,动态范围35-160dB;GRAS 46DD 1/8"压力场传声器的灵敏度约为0.62mV/Pa,频率范围5-70KHz,动态范围47-175dB。(植入了这么多GRAS公司的产品,应该要付我广告费哟!)

 

2. 常见的传声器类型

传声器有电动式、压电式和电容式等类型。由于电容传声器具有灵敏度高,频率响应宽而平坦,稳定性好(其灵敏度随温度、湿度、气压和时间等环境条件的变化很小),因此,用于声学测量的传声器广泛采用电容式。在这主要介绍两种电容式传声器:预极化和极化。也有分类称预极化传声器为驻极体传声器,极化传声器称为电容传声器。

 

预极化电容式传声器,也称为驻极体传声器,利用驻极体材料制成。驻极体是一种永久极化的电介质,使用驻极体高分子材料制作振膜或固定电极(背板),无需外加极化电压,这种驻极材料制成的膜片,相当于非驻极体外加了一定大小的偏置电压。这种传声器,GRAS公司也称为Constant current power(CCP),如常用的自由场传声器GRAS 46AE就属于这种类型。


极化电容传声器由金属(或弹性薄膜)振膜、固定电极及保护罩等构成。振膜与固定电极之间以空气为介质,形成一个电容器。传声器内部装有前置放大器,振膜与固定电极之间通过串联的高阻值电阻器接直流极化电压。当声波引起空气压力改变、使振膜与固定电极之间形成的电容器的电容量变化时,前置放大器会将电容量的变化变换为电压输出。这种传声器,GRAS公司也称为Traditional power supply(LEMO),如常用的自由场传声器GRAS 46AF就属于这种类型。

3. 性能指标

传声器的性能指标主要包括灵敏度、灵敏度频率响应、灵敏度指向性、输出阻抗、等效噪声级、动态范围和稳定性等。

 

1)传声器灵敏度 传声器灵敏度是传声器输出电压与有效声压之比,即膜片上受到单位声压作用时,其开路输出电压的大小。灵敏度的高低主要受传声器的尺寸和膜片张力的影响。通常,大尺寸传声器膜片张力小,振动幅度更大;小尺寸传声器膜片更刚,灵敏度更低。传声器的灵敏度有多种分类:第一种是空载灵敏度和负载灵敏度;第二种是声压灵敏度和声场灵敏度;第三种是自由场灵敏度、压力场灵敏度和随机场灵敏度。

 

空载灵敏度是指咪头的输出电压与膜片受到的声压之比,而负载灵敏度是指咪头和前置放大器组合的输出电压与膜片受到的声压之比。传声器的负载是前置放大器的输入阻抗,当前置放大器与咪头组成一个完整的传声器时,获得的灵敏度即是负载灵敏度。此时灵敏度中考虑了前置放大器的电压增益和输入电容。通常,通过声校准器得到的灵敏度即是负载灵敏度。

 

声压灵敏度是传声器输出电压与实际作用到传声器的有效声压之比,而声场灵敏度是传声器输出电压与传声器放入声场前该点的有效声压之比。在讲叙二者的区别之前,让我们先来看一下下面这张图片。这是自行车运动员在骑行时的流场云图,可以看得出来,骑行的运动员改变了流场的特性。同样的道理,当传声器放入声场时,也会改变声场的分布特性。

由散射理论可知,在平面波声场中放入一个刚性球,作用在刚性球最靠近声源的点上的声压幅值与入射平面声波幅值之比和ka有关,k为波数,a为刚性球半径。因此,实际作用于传声器膜片上的声压要大于传声器放入该点之前的平面波自由场的声压。由于传声器开路输出电压是不会变的,因此,声场灵敏度大于声压灵敏度。或者说,传声器自由场灵敏度等于声压灵敏度加上散射引起的增压。因而,若已知声压灵响应,根据压力增量校正曲线就可以求得自由场灵敏度。在足够低的频率时,传声器放入声场中引起的干扰可以忽略,这时,自由场灵敏度接近声压灵敏度。压力增量与入射角有关,下图给为某款1/2''自由场传声器的压力增量与入射角的校正曲线。

如果声场为自由场,则称为自由场灵敏度;如果是压力场,则称为压力场灵敏度;如果是无规则随机入射声场,则称为随机声场(无规则入射)灵敏度。自由场灵敏度通常是指正向入射条件下自由场中的平面声波而言。

 

2)灵敏度频率响应 传声器置于指定条件下并在恒压声场中和给定入射角的声波作用下,其灵敏度和频率的关系称为灵敏度频率响应。按照声场关系可以分为声压灵敏度频率响应和自由场灵敏度频率响应等。下图为某款1/2''的频率响应曲线图,图中上面曲线为0度入射的自由场灵敏度频率响应曲线,下面曲线为声压灵敏度频率响应曲线。这款预极化传声器频率响应范围为15-20KHz。传声器的频率响应下限截止频率通常由前置放大器的输入电阻决定,下限截止频率越低,则要求输入电阻越大。在高频段,灵敏度正反比于总电容,任何附加电容都会降低传声器高频率的灵敏度。


3)灵敏度指向性 在某一指定频率下,传声器灵敏度随声波入射方向变化的特性称为灵敏度指向性。通常用灵敏度指向性函数来表征,该函数为声波以θ角入射时传声器的灵敏度和轴向入射(θ=0度)时灵敏度的比值。通常用极坐标形式的指向性图来描述传声器的灵敏度指向特性。如下图所示为某型号传声器的灵敏度指向特征图,从图中可以看出,频率越高,指向性影响越明显。当声波以角度θ入射时,作用在膜片上的合力包含一阶贝塞尔函数,只有当ka=2πa/λ<1时,合力才可似乎认为没有入射角度的影响。当传声器尺寸一定时,波长越长,这个数远小于1,也就是说频率越低,指向性影响越小,从下图也可以看出,低频越接近最外圈。另一方面,相同的频率,传声器尺寸越小,指向性影响越小。因而,传声器尺寸越小,可测的频率上限越高。

4)输出阻抗 传声器咪头和前置放大器的输出阻抗是传声器的交流阻抗,通常在频率1000Hz,声压约为1Pa时测量获得。

 

5)等效噪声级 当没有声波作用在传声器上时,由于周围空气压力的起伏和传声器电路的热敏噪声,会造成在传声器前置放大器端还有一定的噪声电压输出,称为固有噪声。固有噪声的大小决定了传声器所能测量的最低声压级,也就是动态范围的下限。声波作用在传声器上,它所产生的输出电压的有效值与该传声器输出的固有噪声电压相等时,则该声波的声压级就等于传声器的等效噪声级。如某款1/2"传声器的动态范围为17-138dB,则17dB就是该传声器的最低声压级,也就是等效噪声级。等效噪声级与灵敏度有关,在固有噪声电压相同的条件下,灵敏度越高,等效噪声级越小。

 

6)动态范围 在强声波作用下,传声器的输出会出现非线性畸变,当非线性畸变达到3%时的声压级称为能测的最高声压级。因此,最高声压级减去等级噪声级就是传声器的动态范围,如某款1/2"传声器的动态范围为17-138dB。因此,动态范围的上限受非线性畸变限制,下限受固有噪声限制。另外,动态范围很大程度上直接与传声器的灵敏度相关。通常,高灵敏度传声器能测量到非常低的声压,但不能测量太高的声压;而低灵敏度的传声器能测量高声压,但不能测量太低的声压。这就说明为什么高灵敏度的传声器动态下限低,上限也低,而低灵敏度传声器的下限高,上限也高。下图为GRAS常见型号传声器的动态范围。

7)稳定性 温度、湿度、气压等大气条件的变化会影响传声器的灵敏度,其中温度影响比较严重,极化电容式传声器稳定较好,工作的温度范围较宽(-50-+150℃),但预极化电容式传声器稳定性较差,通常只能在-30-70℃下工作。另外,传声器的灵敏度还会随着时间的变化而变化,以及受测量环境中电场和磁场的影响,这就是为什么通常传声器现用现校的原因所在。

 

4.声场应用类型

每一种传声器都有自己特有的声场应用类型:自由场、压力场和随机场。通常传声器型号中会注明声场的应用类型,如某型号1/2''自由场传声器。

自由场是最常用的声场类型,当声源位于传声器前方时,且测量环境较为开阔,宜选自由场传声器。或者说声场本身就是自由场时,如在消声室测量则应选用自由场传声器。

 

压力场传声器用于测量膜片前端表面的声压,典型的应用是在密闭的空间内,如上图所示测量墙体或管壁边界的声压,此时,传声器成为墙体或管壁边界的一部分了。

 

随机场也称为无规则入射场,当传声器附近存在多个方向入射的声源时,或者存在多个方向的反射声时,如混响室,则宜选用随机场传声器。

 

5. 测量传声器附件

在声场中进行声压测量时,会受到测量环境的影响,如有风、雨等环境。风速较大时,会增加空气动力噪声对测量带来的影响,因此,应减少测量环境带来的影响。常用的测量传声器的附件有风球、鼻锥、防雨罩、三角架和驱鸟套装等附件。

 

当风速大于5m/s时,建议使用风球,它可以减少空气动力噪声,还可以防尘土和雨滴。风球可有效地减少风速带来的影响,如下图所示,在某款风球前端风速为10m/s,通过风球后到达传声器前端仅有0.5m/s,可见风球大大减少空气动力噪声。

鼻锥用于定向高风速条件下防止空气动力噪声,通常它对层流流场影响有限,几乎不会产生湍流,对传声器性能影响不大。像在风洞中进行测量量,应在传声器前端加装鼻锥。

室外雨天测量时,可以使用防雨罩。下雨时也可以使用风球,即使风球湿透了,测量也还准确。长时间室外测量时,还可以在传声器上加装驱鸟套装。有时为了固定传声器,还会使用到高度不同的三角架。在管道内测量时,可以使用湍流罩来降低湍流噪声。

6. 怎样选择传声器

对于声压测量而言,选择传声器应遵循以下原则:

 

1)根据测量的声场类型来选择;

 

2)根据测量的声压级上下限来选择动态范围合适的传声器;

 

3)根据关心的频率范围来选择合适的传声器;

 

4)对于低声压级测量,应选择高灵敏度的传声器,如测量冰箱噪声;

 

5)对于高声压级测量,应选择低灵敏度的传声器,如爆破测量;

 

6)根据测量环境来选择传声器附件,如风球、鼻锥等;

 

7)还需要考虑温度的影响,如果测量的环境温度太高,宜选用极化的电容传声器。