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电容传声器静电激励法频响的一种测量方法

1 引言

电容传声器的频响特性是一个重要的声学指标。同一只传声器,放在自由声场、压力声场或扩散声场中,其频响特性各异;不同声场的频响可根据给定的修正值相互换算。按照自由场比对法、耦合腔比对法和静电激励法,工作标准传声器分别编制有相应的检定规程;几种方法虽在测量环境、设备上有所差异,但系统都比较复杂,测量效率较低。电容传声器每年检定数量巨大,传声器厂家生产测试的数量更是数以万计,提升传声器频响测量的效率具有重大的现实应用意义。

本文参照静电激励法检定规程[1],给出一种扫频测量传声器频响的方法,在保证精度的同时,精简了设备,同时大大提高了测量效率。

2 测量原理

2.1 静电激励法响应原理

将一导电刚性平板放于传声器膜片附近,在平板与膜片间施加交流电压信号,使膜片产生静电力,用以模拟平均分布在膜片表面上的声压,其基频声压的方均根值p可用式(1)表示[2]:

根据公式(1)可知,在空气介电常数、导电平板和膜片间的有效距离及导电平板有效面积和膜片有效面积之比固定的情况下,为了保证较高的模拟声压,要提高施加于导电平板和膜片间的直流电压及交流电压。一般测量中,直流电压推荐800V,交流电压方均根选择40V左右。

2.2 测量流程图

图1所示为本方法测量的等效流程图。

直流电源提供的800V直流电压通过电阻器作用在静电激励器上;多通道信号分析仪的信号发生器提供交流电压,通过放大器放大到40V左右后,通过电容器也作用到静电激励器上。静电激励器是专用于电容传声器测量的导电平板,根据静电响应原理,其施加电压后在被测传声器膜片上产生出等效的模拟声压。

传声器进行声电转换后,通过前置放大器的调理转换,将信号输入到多通道信号分析仪的输入通道2中;同时,多通道信号分析仪的输入通道1接入其信号发生器的输出信号。两通道信号经模数转换后送入PC进行频响分析算法处理,最终得到传声器的频响。

3 频响分析

本方法使用快速傅立叶变换(FFT)比较激励信号和响应信号,计算频率响应函数。在输入通道一采集的信号发生器交流电压做为激励信号,输入通道二采集的前置放大器调理信号做为响应信号。

通FFT分析,可以获取幅值、相位、实部、虚部和相干性。本方法中,使用了幅值和相位信息,可同时测量电容传声器的频响和相位信息。

3.1 扫频信号的设计

使用扫频信号做为静电激励的交流电压源,在频响分析时,跟踪信号发生器频率,仅刷新当前扫频频率点的频率响应值,从而实现了扫频测量。本方法对扫频信号做了改进,以保证测量精度及速度。

扫频信号分为连续扫频法和点频扫频法。连续扫频的频率时刻变化,但相位连续;点频扫频法在每个固定频点发生一段时间后进行频率切换,但相位不连续。点频扫频可以将使一段时间的能量集中到固定的频率点上,以提高该频率点的信噪比;因为仅在1/n OCT中心频点上测量传声器频响,为保证信噪比,我们选择点频扫频。但相位的不连续会导致信号的突变,使测量稳定性受影响。为此,本方法设计了连续相位的点频扫频信号[3],以保证测量的稳定。

图2为连续相位点频扫频信号的切频瞬间时域波形图。

为提高测量速度,本方法在设计扫频频点跟踪时,实现了多频点跟踪,一次频响分析,可同时得到几个相邻频点的频响值。

当频响分析速率一定时,每个频点的扫频时间越短,一次测量刷新的频响点数就越多,但单个频点的信噪比降低。

图3为相同的频响分析速率,不同的频点发生时间的频域图对比。左侧为每个频点发生0.5 s时的频域图,右侧为每个频点发生0.12 s时的频域图;降低每个频点的发生时间后,单次分析可实现4个频点的频响测量,但各频点幅度明显降低,信噪比变差。

3.2 FFT的设置

1/n OCT为恒百分比带宽滤波器,低频频点线性间隔小,高频频点线性间隔大;FFT为恒带宽滤波器,高频与低频的频点有相同的线性间隔。本方法在做FFT分析时,将频响带宽分为高频与低频两部分,以降低两种滤波器中心频率点的线性间隔的差异。

式(3)为FFT的频点的线性间隔计算公式:

Δf=fs/N=1/T             (3)

Δf—FFT频点的线性间隔(频率分辨率),单位为赫兹(Hz);

fs—采样频率,单位为赫兹(Hz);

N—FFT线数;

T—FFT分析的间隔时间,单位秒(s);

FFT频点的线性间隔越小,单次分析所需的分析时间越长。在设计时,将测试频带分为高频、低频两部分。高频部分使用较高的采样率及低的线数,以降低FFT的频率分辨率,提升速度;低频部分使用较低的采样率及高的线数,保证FFT的频率分辨率。

两部分频带的频率分割点及每个频带所希望达到的频率分辨率可手动设置,在一次扫频过程中,软件根据设置自动进行一次FFT线数及采样频率的切换,满足高低频不同的线性间隔需求。

通过该部分的灵活设置及扫频信号每个频点扫频时间的设置,可解决科研检测与生产测量中对时间与精度的不同测量要求。

3.3 系统修正

本方法采用了两通道比较的方法测量,排除了信号发生器的频响影响,但多通道信号分析仪两通道间的频响差异、静电激励器的频响及前置放大器的频响等,都会累积到最终的传声器频响中。虽然这些频响差异均得到严格的控制(在20 Hz~20 kHz频带范围内,系统误差可控制在0.1 dB内),但我们仍可以通过哑头校准的方法,进一步排除这些系统设备的影响,提高最终测量精度。

如图4所示为哑头的内部结构。制作时,可直接使用一个撕去膜片的极化型电容传声器,在其后极板输出端与外壳之间接一个等效电容,电容量根据待测传声器的电容量选择。

由于没有膜片,静电场直接作用在哑头的后极板上,形成较高的静电压,等效电容的接入,模拟了电容传声器的灵敏度响应,将电压调整到电容传声器的输出量级。由于哑头的频响是平直的,通过测量哑头的频响,便可得到整个系统的频响,从而使系统修正成为可能。

4 方法实现

4.1 硬件实现

该测量方法中使用的主要硬件及其主要参数见表一。测量系统硬件连接图如图5所示[4]。

AWA6050型静电激励电源内部集成了图1中的直流电压源、放大器、电容器和电阻器,大大简化了测量设备数量。

AWA6290L型多通道信号分析仪在设计时,每两通道共用一个AD芯片。共用AD芯片的通道间串扰大于100dB,非共用AD芯片的通道间串扰可提升到130dB。在测量时,信号发生器的交流信号电压较大,会在其余通道中引起较大的串扰信号。在测量灵敏度偏低,特别是高频频响下降严重的传声器时,该串扰信号严重影响测量精度。为此,在该方法实现中, 选用了AWA6290L的四通道采集模块,使用非共用AD芯片的1、3通道进行采集,从而大大降低了串扰信号的影响。

4.2 功能实现

本实现使用图形化语言LabView进行编程,运行在windows操作系统上。

在方法实现上,充分考虑了软件操作的便捷性,通过默认设置及配置保存功能,启动软件便可直接进入频响测量,以满足生产线工人的操作需求。同时,通过设置软件提供了丰富的扩展功能,以满足科研要求。

图6为软件的操作面板。通过该面板可启动测量,切换1/n OCT的带宽类型,打开接线提示,导入自由场修正值,启动系统自检功能,设置传声器信息,设置合格判断参数,开启合格判断,写入及查看数据库,切换点频测量及扫频测量,生成测量报告,设置FFT分析速度及频率分辨率等。

图7为频响数据的图形显示界面。同时刷新静电频响及修正的自由场频响。通过右键可导出数据到excel。

5 数据验证

5.1 准确度评定

表2为标准不确定度的B类评定中各分量来源及数值。

取k=2,整个系统的扩展测量不确定度评定如下:20Hz~5 kHz  <0.16 dB;20 Hz~20 kHz <0.35 dB;20 kHz~40 kHz  <0.42 dB(由于评定中,各频率点的评定不同,数据较多,此处不列)。

参照工作标准传声器误差要求,在被检频率范围内,扩展不确定度满足“小于最大允许误差绝对值的1/3”的要求,可用于工作标准传声器检定[5]。

6 结束语

本文介绍的扫频测量传声器静电频响的方法,在保证测量精度的基础上,大大提高了频响的测量速度、提升了抗干扰性、增强了测量数据的维护性,同时简化了测量设备。经检验完全满足测量要求,已用于测试传声器的生产、检验中。

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