CN101742392B

CN101742392B - 一种测量标准传声器前腔体积的装置和方法

Info

Publication number: CN101742392B
Application number: CN 200810226898
Authority: CN
Inventors: 何龙标; 杨平; 牛锋; 陈剑林
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: CN101742392A

Abstract

本发明提供了一种测量标准传声器前腔体积，包括传声器膜片振动产生的等效体积的装置及其方法，属于声学计量测试领域。此装置包括支座、测量传声器、前置放大器、一组哑头、有源耦合腔、信号源和测量仪器。其使用方法为，采用有源耦合腔作为声源，在维持声源声压级不变的条件下，利用具有不同空腔体积的哑头扩展有源耦合腔的腔体积，用测量传声器测量不同的耦合腔体积下对应的声压级，然后用待测标准传声器取代哑头，测量耦合腔内的声压，最后采用数据拟合的方法得出待测标准传声器的前腔体积。此种装置及其使用方法减少了工作量，提高了声压灵敏度的标准精度，为空气声压量值的复现和传递提供可靠的技术保障。

Description

一种测量标准传声器前腔体积的装置和方法

技术领域

本发明属于声学计量测试领域，具体涉及测量实验室标准传声器的前腔体积，其中包括传声器膜片振动产生的等效体积的装置及其使用方法。

背景技术

在声学计量测试领域，实验室标准传声器用于复现和传递空气中声压的量值。目前国际通用的方法是用耦合腔互易法来测量实验室标准传声器的声压灵敏度。在声压灵敏度的计算公式中需要对传声器的前腔深度、前腔体积(包括传声器膜片振动产生的等效体积)等参数在标称值的基础上进行修正。因此，传声器的前腔体积的测量是传声器声压灵敏度准确与否的重要影响因素之一。

由于标准传声器的前腔中存在内螺纹，且传声器的膜片为精密元件，不能采用接触法测量，因此其前腔体积无法直接测量，因此需要通过声学方法获得。

现有技术中，专利号为200710075644.7且发明名称为数字传声器参数测量系统，采用的是基于数字信号的音频信号采集与分析系统，但不涉及传声器前腔体积的测量。

在现有技术中，丹麦B&K等采用两只无源耦合腔进行测量，利用耦合腔互易法测量实验室标准传声器的声压灵敏度，也就是通过不断改变传声器的前腔体积，使得长短两只耦合腔计算得出的传声器灵敏度相同，此时的体积值为该传声器的前腔体积值。此方法的缺点在于：(1)需要不断改变传声器的前腔体积的名义值，反复计算，工作量大；(2)耦合腔互易校准本身耗时较长，若利用两只耦合腔，本身就增加了声压灵敏度校准时间，以1英寸实验室标准传声器为例，20Hz-10kHz，频率点选取1/3倍频程频率点，则1只耦合腔对应的互易校准耗时约1.5小时。现有技术中另一种测量方法是利用传声器作为声源置于无源耦合腔的一端，另一端则为具有一系列体积空腔的扩展环，同时在无源耦合腔侧面增加一只小尺寸的测量传声器，而传声器作为声源其发射声压级较低，这样就导致测量过程的信噪比较低，另外，也存在侧面施加的测量传声器可能影响耦合腔内的平面波声场分布的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种利用有源耦合腔和哑头技术测量实验室标准传声器前腔体积，包括传声器膜片振动产生的等效体积的装置及其使用方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种测量实验室标准传声器前腔体积的装置，包括支座、测量传声器、前置放大器、一组哑头、有源耦合腔、信号源和测量仪器。所述标准传声器的前腔体积包括传声器膜片振动产生的等效体积。

所述支座开有通孔，通孔的轴线与水平面垂直，所述通孔的底端留有键槽。所述支座通孔上端设有锁紧螺钉，用于将所述测量传声器和前置放大器固定在所述支座上。另外，所述支座上还固定有锁紧装置，锁紧装置优选弹簧锁紧装置，用于扣压哑头，以保证哑头与耦合腔之间具有一定的压力以保持耦合腔内的气密性。

所述测量传声器和前置放大器的轴线位于同一条直线上且与水平面垂直，且从上到下依次固定在所述支座的通孔内，测量传声器的下端面与前置放大器的上端面相接触，两者通过螺纹连接；所述前置放大器通过信号输出电缆与所述测量仪器连接，所述信号输出电缆设置在所述支座通孔底端的键槽内。测量仪器为声压级测量仪器或者高精度电压表。

所述有源耦合腔包括耦合腔和振动腔，所述耦合腔为圆柱体，中间开有圆柱形的腔体，其轴线与水平面垂直；所述耦合腔下部套在所述测量传声器上，所述测量传声器上端部分直接与所述耦合腔的外圆柱表面接触，之间的空腔为所述测量传声器前腔。所述信号源与所述有源耦合腔相连接。因为目前实验室标准传声器主要为1英寸标准传声器和1/2英寸标准传声器，所以所述有源耦合腔优选采用1/2英寸的有源耦合腔，输入信号为正弦信号，频率不高于16kHz，电压不高于25V，耦合腔的直径为9.3mm。在测量1英寸标准传声器的前腔体积时需加转接环，转接环对耦合腔内的体积有影响，但是对最终测量结果没有影响。

所述哑头的轴线与所述测量传声器的轴线位于同一条直线上，哑头上端带有哑头手柄，下端放置在所述有源耦合腔的耦合腔上端，哑头部分直接与所述耦合腔的外圆柱表面接触，之间的空腔为哑头空腔。所述支座上的锁紧装置就是扣压在哑头手柄上端的。另外，所述哑头空腔的直径需要与标准传声器的膜片直径相同。

在所述有源耦合腔的内壁装有上密封圈和下密封圈，所述上密封圈位于耦合腔的上方，与哑头外侧壁接触，所述下密封圈位于耦合腔的下方，与测量传声器的外侧壁接触。所述上密封圈和下密封圈都是为了保证耦合腔内的气密性的。

所述装置的工作原理是，利用有源耦合腔和哑头技术，在维持声源声压不变的条件下，利用不同空腔体积的哑头，扩展有源耦合腔的体积，所述测量传声器测量不同的腔体积下对应的声压级，然后用待测标准传声器取代哑头，测量耦合腔内的声压，最后采用数据拟合的方法，根据已知的有源耦合腔体积和各哑头的空腔体积，计算出待测标准传声器的前腔体积，包括传声器因膜片振动产生的等效体积。因为在声源恒定不变的条件下，有源耦合腔体内的声压与耦合腔体积(包括有源耦合腔的腔体积、传声器的前腔体积和等效体积之和、哑头空腔的腔体积)呈现线性关系，也就是说，耦合腔体积越大，腔体内声压级越小，所以可以利用该线性关系求出待测标准传声器的前腔体积和等效体积之和。

本发明另一个技术方案为装置的使用方法，其包括以下步骤：

(1)将测量传声器和前置放大器固定在支座的通孔内，使两者的轴线位于同一条直线上且与水平面垂直；

(2)将有源耦合腔的下部套在测量传声器上，使测量传声器的外侧壁与有源耦合腔内侧壁接触，通过下密封圈保证气密性；

(3)将测量仪器与前置放大器之间的信号输出电缆接好；

(4)选择至少5个不同空腔体积的哑头，使哑头的空腔体积覆盖待测标准传声器的前腔体积可能变化的范围。因为目前实验室标准传声器主要为1英寸标准传声器和1/2英寸标准传声器，所以哑头是根据此两种标准传声器来选择的，也就是说，针对1英寸标准传声器，选择1英寸的哑头，其空腔直径为18.6mm，深度可为0mm，1.8mm，2.00mm，2.20mm，2.40mm，2.6mm，2.8mm，3.0mm；针对1/2英寸标准传声器，选择1/2英寸的哑头，其空腔直径为9.3mm，深度可为0mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8mm。当然，其它种类传声器也能适用，但是传声器前端要添加一些转接器件。转接器件对耦合腔内的体积有影响，但是对最终测量结果没有影响。

(5)将步骤(4)中选出的一个哑头放置在有源耦合腔的上端，使哑头的轴线与测量传声器的轴线位于同一条直线上，使哑头的外侧壁与有源耦合腔内侧壁接触，通过上密封圈保证气密性；将支座上的锁紧装置扣押在哑头手柄上，进一步保证哑头与有源耦合腔的气密性；接通有源耦合腔电源，记录哑头的空腔体积和测量传声器的声压级读数；

(6)依次将哑头更换为步骤(4)中选出的其他哑头，重复步骤(5)，得出步骤(4)中选出的所有的哑头对应的声压级，用数据拟合方法得出哑头空腔体积与声压级的线性关系；以声压级为横坐标，以哑头空腔体积为纵坐标，通过哑头空腔体积的系列值和相应测得的声压级的系列值拟合出一条直线；

(7)用待测标准传声器取代哑头，记录待测标准传声器对应的声压级；用步骤测得的待测标准传声器对应的声压级在所述拟合直线上求得待测标准传声器的前腔体积。

(8)利用步骤(6)中得出的线性关系和步骤(7)中测得的声压级得出待测标准传声器的前腔体积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)采用有源耦合腔增加了信噪比；(2)减小了工作量；(3)对标准传声器前腔体积的准确测量提高了声压灵敏度的校准精度，为空气声声压量值的复现和准确传递提供技术保障。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1为本发明测量实验室标准传声器前腔体积的装置的结构示意图

图2为本发明中哑头空腔体积与测量传声器输出电压的关系示意图

具体实施方式

本发明的测量实验室标准传声器前腔体积的装置如图1所示，哑头手柄1，哑头2，有源耦合腔3，有源耦合腔的耦合腔4，有源耦合腔的振动腔5，音频信号源6，测量传声器7，前置放大器8，支座9，声压级测量仪器10，上密封圈11，下密封圈12，哑头空腔13和测量传声器前腔14。

本发明包括支座9、测量传声器7、前置放大器8、一组哑头2、有源耦合腔3、音频信号源6和声压级测量仪器10。所述标准传声器的前腔体积包括传声器膜片振动产生的等效体积。

所述支座9开有通孔，通孔的轴线与水平面垂直，所述通孔的底端留有键槽。所述支座9通孔上端设有锁紧螺钉，用于将所述测量传声器7和前置放大器8固定在所述支座9上。另外，所述支座9上还固定有弹簧锁紧装置，用于扣压哑头2，以保证哑头2与耦合腔4之间具有一定的压力以保持耦合腔4内的气密性。

所述测量传声器7和前置放大器8的轴线位于同一条直线上且与水平面垂直，且从上到下依次固定在所述支座9的通孔内，测量传声器7的下端面与前置放大器8的上端面相接触，两者通过螺纹连接；所述前置放大器8通过信号输出电缆与所述声压级测量仪器10连接，所述信号输出电缆设置在所述支座通孔底端的键槽内。

所述有源耦合腔3包括耦合腔4和振动腔5，所述耦合腔4为圆柱体，中间开有圆柱形的腔体，其轴线与水平面垂直；所述耦合腔4下部套在所述测量传声器7上，所述测量传声器7上端部分直接与所述耦合腔4的外圆柱表面接触，之间的空腔为所述测量传声器7的前腔14。所述音频信号源6与所述有源耦合腔3相连接。因为目前实验室标准传声器主要为1英寸标准传声器和1/2英寸标准传声器，所以所述有源耦合腔优选采用1/2英寸的有源耦合腔，输入信号为正弦信号，频率不高于2kHz，电压不高于25V，耦合腔的直径为9.3mm。在测量1英寸标准传声器的前腔体积时需加转接环，转接环对耦合腔内的体积有影响，但是对最终测量结果没有影响。

所述哑头2的轴线与所述测量传声器7的轴线位于同一条直线上，哑头2上端带有哑头手柄1，下端放置在所述有源耦合腔3的耦合腔4的上端，部分直接与所述耦合腔4的外圆柱表面接触，之间的空腔为哑头空腔13。所述支座9上的弹簧锁紧装置就是扣压在哑头手柄1上端的。另外，所述哑头空腔13的直径需要与标准传声器的膜片直径相同。

在所述有源耦合腔3的内壁装有上密封圈11和下密封圈12，所述上密封圈11位于耦合腔4的上方，与哑头2外侧壁接触，所述下密封圈12位于耦合腔4的下方，与测量传声器7的外侧壁接触。所述上密封圈11和下密封圈12都是为了保证耦合腔4内的气密性的。

该装置的使用方法包括以下步骤：

(1)将测量传声器7和前置放大器8固定在支座9的通孔内，使两者的轴线位于同一条直线上且与水平面垂直；

(2)将有源耦合腔3的下部套在测量传声器7上，使测量传声器7的外侧壁与有源耦合腔3内侧壁接触，通过下密封圈12保证气密性；

(3)将声压级测量仪器10与前置放大器8之间的信号输出电缆接好；

(4)选择至少5个不同空腔体积的哑头2，使哑头2的空腔体积覆盖待测标准传声器的前腔体积可能变化的范围。因为目前实验室标准传声器主要为1英寸标准传声器和1/2英寸标准传声器，所以哑头2是根据此两种标准传声器来选择的，也就是说，针对1英寸标准传声器，选择1英寸的哑头，其空腔直径为18.6mm，深度可为0mm，1.8mm，2.00mm，2.20mm，2.40mm，2.6mm，2.8mm，3.0mm；针对1/2英寸标准传声器，选择1/2英寸的哑头，其空腔直径为9.3mm，深度可为0mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.7mm，0.8mm。当然，其它种类传声器也能适用，但是传声器前端要添加一些转接器件。转接器件对耦合腔内的体积有影响，但是对最终测量结果没有影响。

(5)将步骤(4)中选出的一个哑头2放置在有源耦合腔3的上端，使哑头2的轴线与测量传声器7的轴线位于同一条直线上，使哑头2的外侧壁与有源耦合腔3内侧壁接触，通过上密封圈11保证气密性；将支座9上的锁紧装置扣押在哑头手柄1上，进一步保证哑头2与有源耦合腔3的气密性；接通有源耦合腔3的电源，记录哑头2的空腔体积和测量传声器7的声压级读数；

(6)依次将哑头2更换为步骤(4)中选出的其他哑头，重复步骤(5)，得出步骤(4)中选出的所有的哑头对应的声压级，用数据拟合方法得出哑头空腔体积与声压级的线性关系；以声压级为横坐标，以哑头空腔体积为纵坐标，通过哑头空腔体积的系列值和相应测得的声压级的系列值拟合出一条直线；

(7)用待测标准传声器取代哑头，记录待测标准传声器对应的声压级；用步骤测得的待测标准传声器对应的声压级在所述拟合直线上求得到测标准传声器的前腔体积。

(8)利用步骤(6)中得出的线性关系和步骤(7)中测得的声压级得到待测标准传声器的前腔体积。

以1英寸实验室标准传声器为例，使用的系列哑头深度依次为1.80mm，1.90mm，2.02mm，2.11mm，2.28mm，2.54mm，3.00mm，哑头空腔直径均为18.60mm，可计算出各哑头的空腔体积，使用上述装置，测量传声器的输出电压分别为448.3，445.4，416.5，442.2，439.1，433.4，417.8，427.5，418.9，413.6mV(此处前置放大器的输出电压经过30dB增益)，即可拟合出上图的直线，装入待测标准传声器时对应的电压输出为430.4mV，根据拟合的直线方程或者直接查找图中对应坐标，便可求出传声器的前腔体积和等效体积之和为658.1mm³，可通过多次测量取平均值减小测量误差。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims

1.一种测量实验室标准传声器前腔体积的装置，其特征在于：所述装置包括支座、测量传声器、前置放大器、一组哑头、有源耦合腔、信号源和测量仪器，所述标准传声器的前腔体积包括传声器膜片振动产生的等效体积；

所述支座开有通孔，通孔的轴线与水平面垂直，所述通孔的底端留有键槽，所述支座上固定有锁紧装置；

所述测量传声器和前置放大器的轴线位于同一条直线上且与水平面垂直，且从上到下依次固定在所述支座的通孔内，所述测量传声器的下端面与前置放大器的上端面相接触，所述前置放大器通过信号输出电缆与所述测量仪器连接，所述信号输出电缆设置在所述通孔底端的键槽内；

所述有源耦合腔包括耦合腔和振动腔，所述耦合腔为圆柱体，中间开有圆柱形的腔体，其轴线与水平面垂直；所述耦合腔下部套在所述测量传声器上，所述测量传声器上端部分直接与所述耦合腔的外圆柱表面接触，所述测量传声器与耦合腔之间的空腔为所述测量传声器前腔；

所述哑头的轴线与所述测量传声器的轴线位于同一条直线上，哑头上端带有哑头手柄，下端放置在所述有源耦合腔的耦合腔上端，所述哑头部分直接与所述耦合腔的外圆柱表面接触，之间的空腔为哑头空腔，所述支座上的锁紧装置扣压在哑头手柄上端；

在所述有源耦合腔的内壁装有上密封圈和下密封圈，所述上密封圈位于所述耦合腔的上方，与哑头外侧壁接触，所述下密封圈位于耦合腔的下方，与测量传声器的外侧壁接触；所述上密封圈和下密封圈均采用橡胶密封圈；

所述信号源与所述有源耦合腔相连接。

2.根据权利要求l所述的装置，其特征在于：所述测量仪器为声压级测量仪器或者高精度电压表。

3.根据权利要求l所述的装置，其特征在于：所述哑头空腔的直径与标准传声器的膜片直径相同。

4.根据权利要求l所述的装置，其特征在于：所述支座通孔上端设有锁紧螺钉，用于将所述测量传声器和前置放大器固定在所述支座上。

5.根据权利要求l所述的装置，其特征在于：所述支座上的锁紧装置为弹簧锁紧装置。

6.根据权利要求l所述的装置，其特征在于：所述有源耦合腔采用l／2英寸的有源耦合腔，输入信号为正弦信号，采用的频率为200Hz-2kHz，电压不高于25V，耦合腔的直径为9.3mm。

7.根据权利要求l至6任一所述装置的使用方法，其特征在于：所述使用方法包括以下步骤：

(1)将所述测量传声器和所述前置放大器从上到下依次固定在所述支座的通孔内，使两者的轴线位于同一条直线上且与水平面垂直；

(2)将所述有源耦合腔的下部套在测量传声器上，使测量传声器的外侧壁与有源耦合腔内侧壁接触，通过下密封圈保证气密性；

(3)将测量仪器与前置放大器之间的信号输出电缆接好；

(4)选择具有不同空腔体积的一组哑头，使该组哑头的空腔体积范围覆盖待测标准传声器的前腔体积变化的范围；

(5)任意从步骤(4)中选出的一个哑头放置在有源耦合腔的上端，使哑头的轴线与测量传声器的轴线位于同一条直线上，使哑头的外侧壁与有源耦合腔内侧壁接触，通过上密封圈保证气密性；将支座上的锁紧装置扣押在哑头手柄上，进一步保证哑头与有源耦合腔的气密性；接通有源耦合腔电源，记录哑头的空腔体积和测量传声器的声压级读数或所测的交流电压有效值；

(6)依次将不同空腔体积的一组哑头重复步骤(5)，得出步骤(4)中选出的所有的哑头对应的声压级，后用数据拟合方法得出哑头空腔体积与声压级的线性关系；

(7)用待测标准传声器取代哑头，完成步骤(5)，记录待测标准传声器对应的声压级；

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：

步骤(4)中，选择至少5个不同空腔体积的哑头，且选择的哑头空腔的直径大小和深度范围为：空腔直径为18.6mm，深度范围为0-3mm；空腔直径为9.3mm，深度范围为0-0.8mm；

步骤(6)中的数据拟合方法为：

以声压级为横坐标，以哑头空腔体积为纵坐标，通过哑头空腔体积的系列值和相应测得的声压级的系列值拟合出一条直线；

步骤(8)中，用步骤(7)中测得的待测标准传声器对应的声压级在所述步骤(6)中得到的拟合直线上得到待测标准传声器的前腔体积。