CN109916504B - 一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器 - Google Patents
一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，属于高声压传声器校准领域。本发明包括传声器安装结构、传声器预紧结构、高声压绝对法闭环实时反馈测控系统和振膜系统。振膜系统包括可更换耦合腔、振膜、驱动器。可更换耦合腔在宽频范围内产生均匀的声压；通过振膜的振动，在封闭的耦合腔内产生高声压；驱动器将电能转化为机械能，产生动态力驱动振膜产生预期振动，在空气中激发出高量级的声压；高声压绝对法闭环实时反馈测控系统通过动态力传感器、光学传感器测量产生的动态力或动态运动的量值，通过闭环反馈系统对高声压的频率和幅值进行控制，保证其达到预期的频率和幅值，实现稳定声压的输出，并实现声压向基本量的溯源。
Description
技术领域
本发明涉及一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，具体涉及高声压传声器的专用计量校准装置，其具有频率(0.1Hz～5000Hz)和幅值(124dB～180dB)连续可调，并且可以实现量值溯源到长度、时间等基本量，属于高声压传声器校准领域。
背景技术
目前低声压级传声器校准技术已经很成熟，包括JJG175《工作标准传声器检定规程》和JJF1653《电容式工程测量传声器校准规程》对工作标准传声器和工程测量传声器的校准方法和装置都进行了规定，其量值传递和准确性也得到了保障。
但是随着武器爆炸、飞机发动机局部噪声、机械声疲劳等方面的高声压测量需求的增多，一些高声压传声器量程上限达到180dB。虽然国外丹麦BK公司生产了9719高声压校准器，其采用扬声器在驻波管内产生高声压。校准时和一个理论条件下的压电压力传感器进行比较校准，无法溯源。并且其频率只是单一的500Hz，最高声压174dB，无法对高声压传声器的频率响应进行校准溯源。国内也有北京航天计量测试技术研究所闫磊等研制了类似的产品，但都无法覆盖高声压传声器的频率和幅值范围，溯源不明确。
因此需要设计一种具有频率(0.1Hz～5000Hz)和幅值(124dB～180dB)连续可调，并且可以实现量值溯源到长度、时间等基本量的高声压传声器校准器，以解决了高声压的溯源难题。
2012-10-10公开的专利：CN102655628B，题目：《一种传声器高声压-相移特性的检测装置》，发明人：杨晓伟；闫磊；朱刚；刘鑫；孙凤举。公开了一种传声器高声压-相移特性的检测装置及方法。其通过等相位耦合腔、变截面反射端盖、驻波管、底面反射端盖形成一个变截面密闭空间；在驻波管内的扬声器连接功率放大器，功率放大器连接信号源，信号源连接计算机；参考传声器和被校传声器分别安装在等相位耦合腔的两侧壁处；参考传声器与被校传声器还连接信号放大器，信号放大器连接计算机。本实用新型装置可实现等相位耦合腔内声压级的反馈控制，可发生上限160dB，下限94dB的声压信号，且失真度＜1％；解决高声压级(140dB以上)环境下传声器灵敏度非线性相移的校准问题。
2014-03-05公开的专利：CN203463653U，题目：《一种用于高声压传声器校准的两段密封机械结构》，发明人：杨晓伟；闫磊；朱刚等。公开了一种用于高声压传声器校准的两段密封机械结构。该实用新型提供一种用于高声压传声器校准的两段密封机械结构。其中，异形O型圈嵌入螺纹旋进圈的凹槽中，传声器前置放大器与传声器连接后，插入螺纹旋进圈的安装孔内，使螺纹旋进圈与传声器之间的异形O型圈压紧；标准O型圈和楔形密封顶圈埋入传声器安装壁的安装孔内；传声器套入传声器保护栅外壳内，传声器保护栅外壳插入传声器安装壁的安装孔内，拧紧螺纹旋进圈，通过螺纹拧紧推力作用，使传声器安装壁与传声器保护栅外壳之间通过标准O型圈和楔形密封顶圈压紧。本实用新型结构可将传声器位置固定，传声器轴线与安装孔轴线不偏移，双层密封结构降低压力泄露率。
2014-04-30公开的专利：CN102650545B，题目：《一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法》，发明人：杨晓伟；闫磊；朱刚；刘鑫；孙凤举。公开了一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法。通过两个扬声器发出声波，在两个驻波管内形成驻波声场，使两个耦合腔内声压级升高失真度降低形成高声压源。两支参考传声器作为监控，计算机控制双通道信号源，通过音频功率放大器驱动扬声器使耦合腔内的声压级与相位差达到设定值，实现模拟标准高声强环境。被校声强测量仪的两支传声器分别连接两个耦合腔，使其处于高声强环境，可实现声强测量仪的高声强校准。本发明由于采用高声压源技术，突破活塞发生器124dB声压级上限，可产生94dB～160dB声压级，信号失真度＜1％，使用频率范围：500Hz～800Hz。
2014-07-23公开的专利：CN102655628B，题目：《一种传声器高声压-相移特性的检测装置及方法》，发明人：杨晓伟；闫磊；朱刚；刘鑫；孙凤举。公开了一种传声器高声压-相移特性的检测装置及方法。该装置中等相位耦合腔、变截面反射端盖、驻波管、底面反射端盖形成变截面密闭空间；在驻波管内的扬声器连接功率放大器，功率放大器连接信号源，信号源连接计算机；参考传声器和被校传声器分别安在等相位耦合腔的侧壁处；参考传声器与被校传声器还连接信号放大器，信号放大器连接计算机。该方法由计算机控制信号源通过功率放大器驱动驻波管内的扬声器发出声波信号；将参考传声器与被校传声器采集到的信号进行互谱分析得到一定条件下被校传声器相对参考传声器的相位差。本发明使用驻波声场原理使声源达到94～160dB的高声压，且失真度＜1％，实现传声器相位灵敏度在高声压环境下的相移特性校准。
2015-02-11公开的专利：CN104344886A，题目：《一种声强测量仪高声强特性的评测方法》，发明人：闫磊；杨晓伟；朱刚等。其用于声强测量仪的声强级动态范围上限的评测，也用于声强级偏差校准，被校声强测量仪的声强探头有两只声强探头传声器，两只声强探头传声器均连接声强分析仪；声强测量仪的声强探头传声器与高声压标准传声器轴对称安装在声强级校准装置上。本发明方法基于双谐振声波幅相控制原理，采用驻波管声波发生技术模拟标准声强级，实现测量范围为(100～150)dB声强测量仪校准的评价。
发明内容
针对现有技术中高声压传声器校准器存在的下述技术问题：在封闭长管中通过扬声器形成驻波声场产生高声压，其频率受到驻波管的影响，频率单一或较窄，最大幅值仅仅可以达到160～174dB，其通过和标准传声器比较实现校准，高声压标准传声器无法溯源。本发明公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器目的是：提供一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，产生(0.1Hz～5000Hz)和幅值(124dB～180dB)连续可调的高声压，通过动态力或动态运动实现量值溯源到长度、质量、时间基本量，对高声压传声器线性和频响进行校准，从根本上解决高声压传声器的溯源问题。
本发明目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，包括传声器安装结构、传声器预紧结构、高声压绝对法闭环实时反馈测控系统和用于产生高声压的振膜系统。所述用于产生高声压的振膜系统包括可更换耦合腔、振膜、驱动器。传声器通过密封结构以及传声器预紧机构安装在传声器安装结构上，保证声学密封性，使得耦合腔内不会产生声泄漏；可更换耦合腔通过定位导向结构和传声器预紧机构实现快速更换，在宽频范围内产生均匀的声压；通过振膜的振动，在封闭的耦合腔内产生高声压；驱动器将电能转化为机械能，产生动态力驱动振膜产生预期振动，从而在空气中激发出高量级的声压；高声压绝对法闭环实时反馈测控系统通过动态力传感器、光学传感器测量产生的动态力或动态运动的量值，通过计算公式获得声压大小，通过闭环反馈系统对高声压的频率和幅值进行控制，保证其达到预期的频率和幅值，实现稳定声压的输出，并实现声压向基本量的溯源。
所述宽频范围内产生均匀的声压指产生0.1Hz～5000Hz和幅值124dB～180dB连续可调的高声压。
作为优选，振膜由金属制成，在产生振动的同时承受20kPa以下的压力不发生损坏，振膜通过连接机构和驱动器连接，驱动器将电能转化为机械能，产生动态力驱动振膜产生预期振动，从而在空气中激发出高量级的声压；可更换耦合腔采用导向机构，通过卡扣锁紧，便于更换和安装；耦合腔通过隔振结构安装在振膜上，从而用于在其内部实现在频率0.1Hz～5000Hz或者更宽的频率范围内产生124dB～180dB的高声压。
作为优选，所述传声器安装结构中，传声器通过安装孔齐平安装，安装孔内部有橡胶密封圈进行密封，橡胶密封圈通过传声器预紧结构压紧。预紧力通过压紧弹簧调整，传声器预紧结构用于便于拆装更换以适用于不同的传声器。保证声学密封性，使得耦合腔内不会产生声泄漏。
作为优选，快锁旋钮用于将耦合腔固定在振膜上方。
作为优选，导向杆用于定位，具有三角形导向机构，方便更换耦合腔时保证安装的平面度，实现快速导向安装，耦合腔具有弹性支撑结构，以减小外部振动的干扰。
作为优选，测量得到的声压的频率和幅值通过显示器表实现实时显示。
作为优选，所述的高声压绝对法闭环实时反馈测控系统，用于实现量值向动态力和动态运动的溯源，进而溯源到长度、时间、质量基本量。高声压绝对法闭环实时反馈测控系统中，通过传感器测量振膜的动态力或者动态运动量，采用负反馈实现高声压频率和声压级的稳定可调，测量得到的动态力或者动态运动量能够直接转化为声压的频率和幅值，通过显示仪表实现实时显示，测量得到的声压具有溯源到基本量的特性。当测量动态力或动态运动时，根据以下公式获得绝对声压级：
其中：Lp——声压级，dB
F——动态力，kg·m/s2
S——振膜面积，m2
P0——参考声压级20μPa
当测量动态运动量时，根据以下公式获得绝对声压级：
其中：Lp——声压级，dB
m——运动等效质量，kg
a——加速度，m/s2
S——振膜面积，m2
P0——参考声压级20μPa
从而实现量值溯源到质量(kg)、长度(m)、时间(s)基本量。
有益效果：
1、本发明公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，通过振膜、驱动器和耦合腔能够实现在频率0.1Hz～5000Hz或者更宽的频率范围内产生124dB～180dB的高声压，以用于高声压传声器线性度和频响的校准。
2、本发明公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，通过传声器安装结构和传声器预紧结构，实现各种类型高声压传声器和耦合腔之间的密封，并能够实现快速便捷安装。
3、本发明公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，高声压绝对法闭环实时反馈测控系统，通过传感器测量振膜的动态力或者动态运动量，采用负反馈实现高声压频率和声压级的稳定可调，最重要的是能够实现量值向动态力和动态运动的溯源，通过动态力或动态运动实现量值溯源到长度、质量、时间基本量，对高声压传声器线性和频响进行校准，从根本上解决高声压传声器的溯源问题。
附图说明
图1是本发明公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器的结构图。
其中：1—压盖、2—预紧弹簧2、3—梯形橡胶圈、4—传感器、5—耦合腔、6—快锁旋钮、7—振膜、8—导向杆、9—隔振器、10—驱动器、11—基座、12—高声压绝对法闭环实时反馈测控系统、13—显示器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，校准对象为任意一个高声压传声器。本实施例包括传声器安装结构、传声器预紧结构、高声压绝对法闭环实时反馈测控系统12和用于产生高声压的振膜7系统。所述用于产生高声压的振膜7系统包括可更换耦合腔5、振膜7、驱动器10。
压盖1用于压紧被校准的高声压传声器4，使其和耦合腔5紧密耦合；
预紧弹簧2用于调整压盖1的预紧力，保证不会产生声泄漏；
梯形橡胶圈3用于实现空气的密封和高声压传声器4的压紧；
传感器4为测量动态力或动态运动，并实现量值溯源的主要器具；
耦合腔5用于在其中产生均匀的声压，用于高声压传声器4的校准；
快锁旋钮6用于将耦合腔5固定在振膜7上方；
振膜7用于产生声压；
导向杆8用于定位，方便更换耦合腔5时保证安装的平面度等；
隔振器9用于隔离振膜7对耦合腔5的振动影响；
驱动器10用于将电信号转化为机械能驱动振膜7产生振动；
基座11用于固定驱动器10和支撑耦合腔5等；
高声压绝对法闭环实时反馈测控系统12用于控制声压达到预期的频率和幅值，并保持幅值和频率的稳定。
显示器13用于显示当前的声压的幅值和频率等信息。
传声器4通过密封结构以及传声器预紧机构安装在传声器安装结构上，保证声学密封性，使得耦合腔5内不会产生声泄漏；可更换耦合腔5通过定位导向结构和传声器预紧机构实现快速更换，在宽频范围内产生均匀的声压；通过振膜7的振动，在封闭的耦合腔5内产生高声压；驱动器10将电能转化为机械能，产生动态力驱动振膜7产生预期振动，从而在空气中激发出高量级的声压；高声压绝对法闭环实时反馈测控系统12通过动态力传感器4、光学传感器4测量产生的动态力或动态运动的量值，通过计算公式获得声压大小，通过闭环反馈系统对高声压的频率和幅值进行控制，保证其达到预期的频率和幅值，实现稳定声压的输出，并实现声压向基本量的溯源。
所述宽频范围内产生均匀的声压指产生(0.1Hz～5000Hz)和幅值(124dB～180dB)连续可调的高声压。
振膜7由金属制成，在产生振动的同时承受20kPa以下的压力不发生损坏，振膜7通过连接机构和驱动器10连接，驱动器10将电能转化为机械能，产生动态力驱动振膜7产生预期振动，从而在空气中激发出高量级的声压；可更换耦合腔5采用导向机构，通过卡扣锁紧，便于更换和安装；耦合腔5通过隔振结构安装在振膜7上，从而用于在其内部实现在频率0.1Hz～5000Hz或者更宽的频率范围内产生124dB～180dB的高声压。
所述传声器安装结构中，传声器通过安装孔齐平安装，安装孔内部有橡胶密封圈进行密封，橡胶密封圈通过传声器预紧结构压紧。预紧力通过压紧弹簧调整，传声器预紧结构用于便于拆装更换以适用于不同的传声器。保证声学密封性，使得耦合腔5内不会产生声泄漏。
所述的高声压绝对法闭环实时反馈测控系统12，用于实现量值向动态力和动态运动的溯源，进而溯源到长度、时间、质量基本量。高声压绝对法闭环实时反馈测控系统12中，通过传感器4测量振膜7的动态力或者动态运动量，采用负反馈实现高声压频率和声压级的稳定可调，测量得到的动态力或者动态运动量能够直接转化为声压的频率和幅值，通过显示仪表实现实时显示，测量得到的声压具有溯源到基本量的特性。当测量动态力或动态运动时，根据以下公式获得绝对声压级：
其中：Lp——声压级，dB
F——动态力，kg·m/s2
S——振膜7面积，m2
P0——参考声压级20μPa
当测量动态运动量时，根据以下公式获得绝对声压级：
其中：Lp——声压级，dB
m——运动等效质量，kg
a——加速度，m/s2
S——振膜7面积，m2
P0——参考声压级20μPa
从而实现量值溯源到质量(kg)、长度(m)、时间(s)基本量。
本实施例公开的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器的校准方法为：
对高声压传声器进行校准工作前，先做如下安装连接：将高声压传声器插入到耦合腔5安装孔上，通过调节2的预紧力压紧1，使得橡胶圈紧紧卡住高声压传声器，以保障其密封性。
校准工作时，通过导向杆8插入到隔振器9的安装孔上，通过6快锁旋钮6固定紧。使得耦合腔5安装在振膜7上方，并保证其密封性。
安装完成后，启动高声压绝测控系统12，通过驱动器10输出机械振动给振膜7，在耦合腔5内产生一定频率和幅值的声压，通过传感器4测量动态力或者动态运动获得绝对声压的大小，通过高声压绝测控系统反馈控制驱动器10，调节驱动信号，使得声压达到预定频率和幅值，并保持稳定，通过测量传声器的输出，获得其灵敏度，通过改变产生的声压信号的频率和幅值对其频响和幅值线性度实现校准。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，其特征在于：包括传声器安装结构、传声器预紧结构、高声压绝对法闭环实时反馈测控系统(12)和用于产生高声压的振膜(7)系统；所述用于产生高声压的振膜(7)系统包括耦合腔(5)、振膜(7)、驱动器(10)；传感器(4)通过密封结构以及传声器预紧机构安装在传声器安装结构上，保证声学密封性，使得耦合腔(5)内不会产生声泄漏；可更换耦合腔(5)通过定位导向结构和传声器预紧机构实现快速更换，在宽频范围内产生均匀的声压；通过振膜(7)的振动，在封闭的耦合腔(5)内产生高声压；驱动器(10)将电能转化为机械能，产生动态力驱动振膜(7)产生预期振动，从而在空气中激发出高量级的声压；高声压绝对法闭环实时反馈测控系统(12)通过传感器(4)测量产生的动态力或动态运动的量值，通过计算公式获得声压大小，通过高声压绝对法闭环实时反馈测控系统(12)对高声压的频率和幅值进行控制，保证其达到预期的频率和幅值，实现稳定声压的输出，并实现声压向基本量的溯源；
所述振膜(7)由金属制成，在产生振动的同时承受20kPa以下的压力不发生损坏，振膜(7)通过连接机构和驱动器(10)连接，驱动器(10)将电能转化为机械能，产生动态力驱动振膜(7)产生预期振动，从而在空气中激发出高量级的声压；耦合腔(5)采用导向机构，通过卡扣锁紧，便于更换和安装；耦合腔(5)通过隔振结构安装在振膜(7)上，从而用于在其内部实现在频率0.1Hz～5000Hz或者更宽的频率范围内产生124dB～180dB的高声压
所述传声器安装结构中，传声器通过安装孔齐平安装，安装孔内部有橡胶密封圈进行密封，橡胶密封圈通过压紧弹簧的传声器预紧结构压紧；预紧力通过压紧弹簧调整，传声器预紧结构用于便于拆装更换以适用于不同的传声器；保证声学密封性，使得耦合腔(5)内不会产生声泄漏；
所述的高声压绝对法闭环实时反馈测控系统(12)，用于实现量值向动态力和动态运动的溯源，进而溯源到长度、时间、质量基本量；高声压绝对法闭环实时反馈测控系统(12)中，通过传感器(4)测量振膜(7)的动态力或者动态运动量，采用负反馈实现高声压频率和声压级的稳定可调，测量得到的动态力或者动态运动量能够直接转化为声压的频率和幅值，通过显示仪表实现实时显示，测量得到的声压具有溯源到基本量的特性；
快锁旋钮(6)用于将耦合腔(5)固定在振膜(7)上方；
导向杆(8)用于定位，形成三角形的导向机构，方便更换耦合腔(5)时保证安装的平面度，实现快速导向安装，耦合腔(5)具有弹性支撑结构，以减小外部振动的干扰。
2.如权利要求1所述的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，其特征在于：当测量动态力或动态运动时，根据以下公式获得绝对声压级：
其中：Lp——声压级，dB
F——动态力，kg·m/s2
S——振膜(7)面积，m2
P0——参考声压级20μPa
当测量动态运动量时，根据以下公式获得绝对声压级：
其中：Lp——声压级，dB
m——运动等效质量，kg
a——加速度，m/s2
S——振膜(7)面积，m2
P0——参考声压级20μPa
从而实现量值溯源到质量(kg)、长度(m)、时间(s)基本量。
3.如权利要求1或2所述的一种幅值和频率可调的具有溯源性的高声压传声器校准器，其特征在于：测量得到的声压的频率和幅值通过显示器(13)实现实时显示。
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