CN109413559A - 一种利用赫姆霍兹消声器实现矢量传感器校准的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用赫姆霍兹消声器实现矢量传感器校准的装置。该校准装置包括箱体、声源、赫姆霍兹消声器和待校准的矢量传感器；箱体为封闭式的空腔结构；赫姆霍兹共鸣器与箱体联通；声源发出的声波进入箱体内依次传播至待校准的矢量传感器和赫姆霍兹共鸣器。本发明的校准装置利用了赫姆霍兹消声器的特性，从而使得声波传播的边界具有完美透声效果，可以实现对矢量传感器的校准，而无需额外使用标量传感器，从结构上简化了矢量传感器校准实装置。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种利用赫姆霍兹消声器实现矢量传感器校准的装置。
背景技术
传感器俗称麦克风，是一种将声信号转换成电信号的装置。传统的麦克风按照工作原理分为动圈式、电容式、驻极体式、铝带式等。以动圈式麦克风为例，膜片受声音信号冲击，带动线圈在磁场中运动产生电流输出。对于传统的传感器只能用于测量声场中的标量参数，如声压；而矢量传感器是通过检测质点振速来获得声场信息，兼具了低频灵敏度高、尺寸小、能更好抑制环境噪声的优势。
灵敏度作为衡量麦克风的重要技术指标，其定义是以膜片受一单位声压作用时，输出端开路时输出电压的多少来表示，单位为mV/Pa。传感器作为一种接收设备，测量时会受到环境中温度湿度的影响，因此在使用之前，往往需要对传感器进行校准。如：若传感器标准灵敏度是50mV/Pa，校准实验测试显示是60mV/Pa，则需要一校准系数α，数值为标准灵敏度值与实际测试值之比。
对于传统的标量传感器测量声场中的声压，声压是标量，校准方式也比较简单，只需将标量传感器放在一个密闭声场空间中即可；而对于矢量传感器，由于需要测试质点振速，振速是矢量，若声传播过程中遇到硬边界，则边界处声压最大，而质点振速最小，甚至为零，这样就无法对矢量传感器进行校准。因此，标量传感器的校准方法不再适用于矢量传感器的校准。
已有的矢量传感器校准方法主要有：近场校准、小球体校准、单极子和偶极子校准、阵列校准、驻波管校准、振动器校准等。以驻波管校准为例，装置结构包含箱体、声源、参考标量传感器和待校准的矢量传感器，声源置于箱体的一端，标量传感器置于与声源相对的另一端。矢量传感器的质点振速uprobe和标量传感器的声压Pref之间关系式为其中ρ为媒质密度，c为媒质中声速，k为波数，l为驻波管的总长度，x为矢量传感器与声源的距离，因此可根据参考传感器的数值校准矢量传感器。但是这些矢量传感器校准方法均依赖于标量传感器。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用赫姆霍兹消声器实现矢量传感器校准的装置。
为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用赫姆霍兹消声器实现矢量传感器校准的装置，包括箱体、声源、赫姆霍兹消声器和待校准的矢量传感器；所述箱体为封闭式的空腔结构；所述赫姆霍兹共鸣器与箱体联通；所述声源发出的声波进入箱体内依次传播至待校准的矢量传感器和赫姆霍兹共鸣器。
进一步地，所述赫姆霍兹共鸣器包括短管和腔体，腔体通过短管与所述箱体的空腔结构联通。
进一步地，所述箱体的形状为多面体、圆柱体、球体或者椭球体。
进一步地，所述声源为喇叭。
进一步地，所述待校准的矢量传感器设置在箱体的侧壁上，并探入箱体的空腔结构内。
进一步地，所述待校准的矢量传感器置于箱体的中部位置或者远离声源的位置。
进一步地，所述赫姆霍兹共鸣置于箱体的中部位置或者远离声源的位置。
声波在管中传播时，若旁支是一赫姆霍兹共鸣器，当共鸣器共振时，透射系数等于零，即旁支起了滤波作用，这是共振式消声器的原理。本发明的校准装置即利用了赫姆霍兹消声器的这一特性，实现对矢量传感器的校准，而无需额外使用标量传感器，从结构上简化了矢量传感器校准实装置。
附图说明
图1为用于传统标量传感器校准的装置结构示意图。
图2为校准装置采用硬边界时针对1Pa声源进行仿真的结果，(a)是声场中的声压分布，(b)是质点振速分布。
图3为本发明用于矢量传感器校准的装置结构示意图。
图4为本发明实施例中赫姆霍兹共鸣器的共振频率仿真结果。
图5为校准装置采用赫姆霍兹消声器后针对1Pa声源进行仿真的结果，(a)是声场中的声压分布,(b)是质点振速分布。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
用于传统标量传感器校准的装置结构如图1所示，包括箱体1、声源2和待校准的标量传感器3。其中，箱体1包括密闭的空腔腔体，结构可以是长方体、正方体、圆柱形、球体或者其他形状。声源2采用喇叭，放置在箱体1的左侧，喇叭出声处探入到箱体1中。待校准的标量传感器3置于箱体1的上方，位于中部或者远离声源2的位置，并探入到箱体1中。箱体1的尺寸应大于喇叭和传感器的尺寸。此外考虑到便携性，箱体1的尺寸应越小越好，以直径3cm的喇叭、需要校准的传感器为1/2英寸麦克风为例，箱体1的尺寸可设计为长宽高4cm的正方体。
箱体1的材料可以是铝、钢等特性阻抗大于空气或者水的材料，如：当待校准的标量传感器3为空气传感器时，则箱体1的内部和外部均为空气，箱体1采用特性阻抗大于空气的特性阻抗415N·s/m3)的材料；当待校准的标量传感器3为水听器时，则箱体1的内部和外部均为水，箱体1采用特性阻抗大于水的特性阻抗(1.48e6N·s/m3)的材料。一般情况下固体材料的特性阻抗更大，所以声波传播的边界4可以看作硬边界。
以水中传感器应用为例，图2是硬边界时针对1Pa声源进行仿真的结果(如无特殊说明，以下仿真中声源均在左侧)，仿真设置中将腔体进行二维结构简化，图2(a)是声场中的声压分布，图2(b)是质点振速分布，横纵坐是腔体平面的尺寸标注，图中颜色表明的是腔体结构中声场声压分布。可以看出，由于声波反射，声压数值在2Pa，传统标量传感器测得是声压，则图1的装置可用于标量传感器校准；而质点振速在边界处急速减小，接近于零，不能进行矢量传感器的校准。
声波从媒质1传播到媒质2过程中遇到分界面，设入射声压是pi＝piaej(wt-kx)，其中pia为入射声压幅值，w为振动圆频率，k为波数，反射波声压是pr＝praej(wt+kx)，其中pra为反射声压幅值，则入射波的声质点振速是反射波的声质点振速是再结合边界处声压连续、法向速度连续，可以得到反射波声压与入射波声压之比是反射波质点速度和入射波质点速度之比其中ρ1c1为媒质1的特性阻抗，ρ2c2为媒质2的特性阻抗。若ρ1c1＜＜ρ2c2即硬边界，此时rp＝1，rv＝-1；若ρ1c1＝ρ2c2，此时rp＝0，rv＝0。
因此，声源2的声波在传播过程中，若遇到硬边界，反射波声压与入射波声压同相位，而反射波质点振速与入射波质点振速相位相差180°。若是十分坚硬的边界，反射波质点振速与入射波质点振速大小相等，相位相反，在分界面上合成质点振速为零。矢量传感器测试质点振速，此时振速为零，无法进行校准，因此需要将边界处设置成透声效果，此时声波继续传播，可对矢量传感器进行校准。
基于以上分析，本实施例将声波传播方向设置一赫姆霍兹共鸣器6作为旁支，具体装置结构如图3所示。箱体1采用长方体，赫姆霍兹共鸣器6置于箱体1的上方，待校准的矢量传感器5置于箱体1的下方，当然，赫姆霍兹共鸣器6和待校准的矢量传感器5也可以位于同一侧。待校准的矢量传感器5位于中部或者远离声源2的位置，并探入到箱体1中。赫姆霍兹共鸣器6位于矢量传感器5沿声波传播方向的后方。赫姆霍兹共鸣器6包括短管7和腔体8，短管7的截面积为S(半径为a)、长度为l，容积为V的腔体7通过短管7与箱体1的空腔联通。赫姆霍兹共鸣器6需要满足以下条件：(1)共鸣器的线度远小于声波波长，即a、l、(2)短管7的体积远小于腔体8的体积，即Sl＜＜V；(3)腔体8的壁是刚性的。赫姆霍兹共鸣器6的具体尺寸设计可根据需要关注的声波频率设定。
图4是本实施例的赫姆霍兹共鸣器的共振频率仿真结果，仿真用的二维结构，箱体尺寸为5cm*10cm，短管1mm*5mm，腔体20mm*20mm，当前设计尺寸下其共振频率约为4463Hz。
图5是采用赫姆霍兹共鸣器后针对1Pa声源进行仿真的结果(由于当前共鸣器尺寸下共振频率为4463Hz，声源频率点选择在4463Hz)，图5(a)是声场中的声压分布，箱体内声压为2Pa，图5(b)是质点振速分布。此时质点振速分布均衡，可将矢量传感器5探入到腔体中进行校准。
Claims (7)
1.一种利用赫姆霍兹消声器实现矢量传感器校准的装置，其特征在于，包括箱体、声源、赫姆霍兹消声器和待校准的矢量传感器；所述箱体为封闭式的空腔结构；所述赫姆霍兹共鸣器与箱体联通；所述声源发出的声波进入箱体内依次传播至待校准的矢量传感器和赫姆霍兹共鸣器。
2.根据权利要求1所述的一种利用赫姆霍兹消声器实现矢量传感器校准的装置，所述赫姆霍兹共鸣器包括短管和腔体，腔体通过短管与所述箱体的空腔结构联通。
3.根据权利要求1所述的一种利用匹配层实现矢量传感器校准的装置，其特征在于，所述箱体的形状为多面体、圆柱体、球体或者椭球体。
4.根据权利要求1所述的一种利用匹配层实现矢量传感器校准的装置，其特征在于，所述声源为喇叭。
5.根据权利要求1所述的一种利用匹配层实现矢量传感器校准的装置，其特征在于，所述待校准的矢量传感器设置在箱体的侧壁上，并探入箱体的空腔结构内。
6.根据权利要求5所述的一种利用匹配层实现矢量传感器校准的装置，其特征在于，所述待校准的矢量传感器置于箱体的中部位置或者远离声源的位置。
7.根据权利要求6所述的一种利用匹配层实现矢量传感器校准的装置，其特征在于，所述赫姆霍兹共鸣置于箱体的中部位置或者远离声源的位置。
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