CN113615212B - 一种高声压传声器校准装置、系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高声压传声器校准装置、系统以及方法，其中装置包括扬声器和耦合腔体，所述扬声器固定设置于所述耦合腔体的底部，形成扬声器后腔，所述耦合腔体由不同尺寸的管状腔体嵌套组成，包括共振管、过渡管和小管，所述共振管、所述过渡管和所述小管为同轴圆管声腔。本发明公开的一种高声压传声器校准装置、系统以及方法，解决了市面上常见校准装置声压级低、高声压下失真度高的问题，在总谐波失真不超过1％的条件下，校准声源声压级最高可达170dB，满足大部分高声压传声器的校准要求。

Description

一种高声压传声器校准装置、系统以及方法

技术领域

本发明涉及传声器校准技术领域，更准确地说，涉及一种高声压传声器校准装置、系统以及方法。

背景技术

随着航空、高速铁路、城市轨道交通等交通运输领域的不断发展，在其生产研发过程中对噪声相关指标的要求也逐步提高。与目前常见的扬声器测试、噪声检测等不同的是，交通工具(如飞机、火车等)在工作过程中所产生的噪声声压级比一般生活或工业噪声要高得多，通常在100dB以上，最高声压级有时甚至超过160dB，超过了市面上大部分常见传声器的测量范围。市面上常见的声校准器主要结构包括声源(扬声器)和耦合腔结构，校准频率通常为250Hz和1kHz，标准声压级常为94dB、114dB和124dB，这些校准器仅适用于声压级校准方法，对于通常工作在160dB左右环境下的高声压传声器，传统校准设备的声压级并不能满足其校准需求；另外，如果不改进腔体，仅靠单纯提高扬声器输入，传统校准设备在校准声压超过一定限值后(如160dB以上)，腔内声波的总谐波失真升高，无法提供准确的校准结果。

上述情况下，适用于测量高声压噪声的传声器应运而生，高声压传声器校准装置属于声校准器类，声校准器是声学测试中常用的校准设备，当其耦合到规定型号和结构的传声器上时，能在一个或多个规定频率上产生一个或多个已知声压级的装置。与常见传声器使用声压校准不同，高声压传声器在校准时更关注总谐波失真(THD)指标，这是因为在高声压环境下，普通传声器的输出信号失真较大(＞10％)，导致测试结果不准确，通常高声压传声器的失真技术要求为测量声压范围内失真＜3％，因此用于高声压传声器的校准装置，除了能产生足够高的声压级外，还要保证校准装置所提供的声音谐波失真很低，才能在校准过程中准确衡量传声器本身的信号失真情况。

为了保证高声压传声器的测量精度和准确性，本发明专利设计了一种适用于高声压传声器校准的装置、系统和方法，解决市面上常见校准装置声压级低、高声压下失真度高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高声压传声器校准装置、系统以及方法，提供高声压校准声源，校准声源可达170dB，还能使校准声源的谐波失真维持在1％以下。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种高声压传声器校准装置，其中：包括扬声器和耦合腔体；所述耦合腔体由不同尺寸的管状腔体嵌套组成；所述扬声器固定设置于所述耦合腔体的底部，形成扬声器后腔。

优选的，所述耦合腔体包括共振管、过渡管和小管，所述共振管、所述过渡管和所述小管为同轴圆管声腔；所述共振管底部设置有所述扬声器，所述扬声器紧贴所述共振管内壁；所述共振管顶部连接有所述过渡管，所述过渡管管壁设置有参考传声器插孔，所述过渡管顶部设置有校准传声器插孔；所述小管固定在所述过渡管内部，且所述小管上半部分为中空管结构，下半部分为实心柱结构。

优选的，所述共振管的截面积远大于传声器拾音面面积，所述过渡管的截面积略小于所述共振管的截面积，所述小管的截面积与传声器的拾音面面积相当。

优选的，所述小管的中空管结构和所述实心柱结构长度比例为4∶6。

优选的，所述共振管顶部和所述过渡管底部均设置有螺纹，通过所述螺纹进行固定连接。

优选的，所述小管通过支架固定于所述过渡管上，所述小管的实心柱结构的尾部设置在所述共振管中。

优选的，所述共振管、所述过渡管和所述小管为铝材质薄壁管。

另一方面，提供了一种高声压传声器校准系统，其中包括上述所述的高声压传声器校准装置，还包括：信号发生器，用于输出不同频率类型的电信号；

功率放大器，用于接收所述信号发生器输出的所述电信号，增大信号功率，以驱动所述扬声器发出声信号；

参考传声器；

校准传声器；

弹簧轭，用于将所述校准传声器在所述校准传声器插孔中压实，防止声泄露；数据采集卡，用于从所述参考传声器和所述校准传声器中采集电信号，并转换为数字信号；

计算机，安装有谐波失真和声压级测量功能的测试软件，用于实时监控采集的信号值和数据后进行处理。

优选的，所述弹簧轭为带有弹簧的圆盘，所述圆盘中间设置有中央孔，所述中央孔的直径略小于所述校准传声器前置，使所述校准传感器紧塞于所述圆盘的所述中央孔内，且所述弹簧轭的所述弹簧的尾部设置有小塞，可与所述高声压传声器校准装置的所述过渡管进行固定连接。

再一方面，提供了一种高声压传声器校准方法，使用上述所述的高声压传声器校准系统，包括以下步骤：

步骤1：将待校准传声器插入所述过渡管顶部的所述校准传声器插孔，并用弹簧轭固定稳妥；

步骤2：将参考传声器插入所述过渡管管壁的所述参考传声器插孔，进行固定密封；

步骤3：将校准传声器和参考传声器连接数据采集卡和安装有谐波失真和声压级测量功能的测试软件的计算机；

步骤4：将扬声器与功率放大器和信号发生器进行电连接，打开信号发生器进行信号源输入，通过调节输入信号和功率放大器的放大倍数逐渐增大扬声器输出声压级，可在所述计算机测量软件中观察参考传声器测量声压级监测高声压传声器校准装置的所述耦合腔体内的声压值；

步骤5：先将耦合腔体内声压级调节到中等声压下，以参考传声器测量声压级为基准，对所述校准传声器进行声压校准；

步骤6：声压校准完成后，逐步提高所述扬声器输出声压级至达到测试要求的声压值，此时可测量校准传声器的失真值，判断是否满足技术指标要求。

本发明公开的一种高声压传声器校准装置、系统以及方法，解决了市面上常见校准装置声压级低、高声压下失真度高的问题，在总谐波失真不超过1％的条件下，校准声源声压级最高可达170dB，满足大部分高声压传声器的校准要求。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明高声压传声器校准装置的示意图。

图2是本发明图1中A处的局部放大图。

图3是本发明高声压传声器校准系统的示意图。

图4是本发明高声压传声器校准系统的弹簧轭示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明公开了一种新型高声压传声器校准装置，如图1所示，主要由扬声器1和经特殊设计的耦合腔体2组成，该耦合腔体由三种不同尺寸的管状腔体嵌套组合而成，特殊腔体设计主要是为了改善阻抗过渡和减少声学失真(THD)。

图1中耦合腔体2包括共振管21、过渡管22和小管23，所述共振管21、所述过渡管22和所述小管23为同轴圆管声腔，所述共振管21的声腔底部设置有所述扬声器1，所述扬声器1紧贴所述共振管21内壁，同时形成扬声器后腔24。

共振管21顶部与过渡管22尾部相连，小管23固定在过渡管22内部，小管23是半通管，上半部分为中空管结构231，下半部分为实心柱结构232，所述小管的实心柱结构232的尾部设置在所述共振管21中，其中共振管21用于声源共振，过渡管22和小管23用于减小声阻抗突变和减弱谐波。另外，如图2所示，图2是图1中A处的局部放大图，所述过渡管22上有两个传声器插孔，管壁设置有参考传声器插孔221，顶部设置有校准传声器插孔222；顶部校准传声器插孔222用于插入待校准传声器，管壁参考传声器插孔221用于插入检测传声器。

根据有限长管内声学传播理论，当声波在截面积为S1、出口面积为S2的管内传播时，声波在出口处的反射可用反射系数rp描述，rp值在±1之间，反射系数越大，说明出口处反射的声波越多。rp由下式求得：

其中：

由式(1)、(2)可知当S2远小于S1时，rp约等于1，即出口处声波几乎全部反射。

首先，为了在功率不变的条件下使声源声压级更大，必须在扬声器1上加装共振腔体，本发明中所设计的共振管21的共振频率在500Hz，其截面积远大于常用的1/2英寸或1/英寸的传声器拾音面面积，此时面积比很大，导致共振管21出口处声阻抗突变，大部分声波在共振腔出口处反射，尤其是波长较短的高频声波会发生多次反射，造成测试频点的谐波分量增高，装置腔体内声音的总谐波失真变大，影响测试结果。因此为改善声阻抗突变，加装一段截面积略小于共振管21的过渡管22，减少共振腔截面积和传声器拾音面的面积差，增加过渡管22后，校准装置腔体内500Hz声波的二、三次谐波分量有明显下降。但仅一个过渡管的作用有限，在更高频率范围(8kHz以上)还存在较高的谐波分量，而高声压传声器测量范围通常可达20kHz以上，为解决高次谐波问题，在过渡管22内加入一个截面积小于1/4英寸传声器(高声压传声器常见信号)拾音面面积，并与共振管21、过渡管22同轴的小管23，小管23是半通管，上半部分为中空管结构231，下半部分为实心柱结构232，其开口接近传声器拾音面，作用类似于高通滤波器，高频率的谐波在进入传声器拾音面前先在小管23中产生共振消耗，从而减弱了传声器处的谐波幅度，小管23在过渡管22的基础上进一步减弱了阻抗突变，使声腔内谐波失真进一步减小。

如图3所示，本发明还提供了一种新型高声压传声器校准系统，包括上述的高声压传声器校准装置，还包括信号发生器3、功率放大器4、参考传声器5、校准传声器6、弹簧轭7、数据采集卡8、计算机9，校准测试系统各模块功能如下：

数据采集卡8：从参考传声器5和校准传声器6中自动采集电信号，转换为数字信号再输入计算机9进行进一步处理。

计算机9：需安装具有谐波失真和声压级测量功能的测试软件，用于实时监测传声器采集的信号值和数据后处理。

弹簧轭7：用于将校准传声器6在高声压传声器校准装置的校准传声器插孔中压实，防止声泄露。

信号发生器3：向功率放大器4输出不同频率类型的电信号，该电信号幅度较小，需要通过功率放大器4放大才能驱动扬声器1，在具体应用过程中，专业信号发生器或电脑声卡均可作为信号发生器。

功率放大器4：功率放大器，接收信号发生器3输出的电信号后，增大信号功率后再输出，以驱动扬声器1发出声信号，在具体应用过程中，信号放大倍数可调。

为帮助理解，结合上述高声压传声器校准系统，提供优选实施例对本发明校准装置和系统的组成部分进行描述：

共振管21优选为铝材质薄壁圆柱管，共振管是校准装置中尺寸最大的耦合腔，作用是使声波在500Hz频率上产生共振，经过共振作用后，腔内声压级至少可提高10dB以上。共振管底部为3.5英寸扬声器和扬声器后腔24，作为校准装置的声源，共振管21顶部有螺纹，用于连接过渡管；

过渡管22为铝材质薄壁圆柱管，其内径约为共振管21的1/4，底部通过螺纹与共振管21顶端连接。过渡管22管壁开有参考传声器插孔221，参考传声器的作用是监测校准器内的声压级和提供校准声源谐波失真参考值，过渡管22顶部为校准传声器插孔222，高声压传声器通常为1/4英寸型，校准时需连接适配器再插入校准传声器插孔222，参考传声器5是经过校准的标准高声压传声器，用于实时监测校准器内的声压级值；

小管23为铝材质薄壁半通管，其内径很小，中空部分231占约40％，实心部分232占约60％，通过细铁丝支架10固定在过渡管22的中心；所述小管23的实心柱结构232的一端位于所述共振管21的声腔内，所述小管23的中空管结构231的一端位于所述过渡管22的声腔内。

另外，为保证校准装置有足够密封性，在校准传声器6尾部使用弹簧轭7压紧固定。弹簧轭7是带两个弹簧72的有孔圆盘，圆盘71中央的孔直径略小于传声器前置，传声器可紧塞在圆盘孔中，圆盘直径两端各有一弹簧72，弹簧72尾部小塞73可塞入过渡管22侧面定位孔，用于固定弹簧轭7，弹簧轭7的作用是借助弹簧拉力将传声器在校准传声器插孔222中压实，防止声泄露。

利用上述装置和系统对高声压传声器进行校准，包括如下步骤：

步骤1：将待校准传声器连接适配器后插入高声压校准器装置顶部的校准传声器插孔，并用弹簧轭固定稳妥；

步骤2：将参考传声器插入参考传声器插孔，进行固定密封，在实际操作过程中，可通过密封适配器和橡皮带固定；

步骤3：将校准传声器和参考传声器连接数据采集卡和安装有谐波失真和声压级测量功能的测试软件的计算机；

步骤4：将扬声器与功率放大器、信号发生器进行电连接，打开信号发生器进行信号源输入，通过调节输入信号和功率放大器的放大倍数逐渐增大扬声器输出声压级，可在所述计算机测量软件中观察参考传声器测量声压级监测高声压传声器校准装置的所述耦合腔体内的声压值；

步骤5：先将耦合腔体内声压级调节到中等声压下(优选的，如100dB左右)，以参考传声器测量声压级为基准，对所述校准传声器进行声压校准；

步骤6：声压校准完成后，逐步提高所述扬声器输出声压级至达到测试要求的声压值，此时可测量校准传声器的失真值，判断是否满足技术指标要求。

本实施例中，当耦合腔内声压值为170dB时，腔内声场谐波失真0.44％。

以上，本发明公开的一种高声压传声器校准装置、系统以及方法，解决了市面上常见校准装置声压级低、高声压下失真度高的问题，在总谐波失真不超过1％的条件下，校准声源声压级最高可达170dB，满足大部分高声压传声器的校准要求。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种高声压传声器校准装置，其特征在于：包括扬声器和耦合腔体；

其中，所述耦合腔体由不同尺寸的管状腔体嵌套组成，所述耦合腔体包括共振管、过渡管和小管，所述共振管、所述过渡管和所述小管为同轴圆管声腔，所述共振管顶部连接有所述过渡管，所述小管固定在所述过渡管内部，且所述小管上半部分为中空管结构，下半部分为实心柱结构；

所述扬声器固定设置于所述耦合腔体的共振管内底部，形成扬声器后腔。

2.根据权利要求1所述的高声压传声器校准装置，其特征在于：

所述扬声器紧贴所述共振管内壁；

所述过渡管管壁设置有参考传声器插孔，所述过渡管顶部设置有校准传声器插孔。

3.根据权利要求2所述的高声压传声器校准装置，其特征在于：所述共振管的截面积大于传声器拾音面面积，所述过渡管的截面积小于所述共振管的截面积，所述小管的截面积与传声器的拾音面面积相当。

4.根据权利要求3所述的高声压传声器校准装置，其特征在于：所述小管的中空管结构和所述实心柱结构长度比例为4：6。

5.根据权利要求4所述的高声压传声器校准装置，其特征在于：所述共振管顶部和所述过渡管底部均设置有螺纹，通过所述螺纹进行固定连接。

6.根据权利要求5所述的高声压传声器校准装置，其特征在于：所述小管通过支架固定于所述过渡管上，所述小管的所述实心柱结构的尾部设置在所述共振管中。

7.根据权利要求2所述的高声压传声器校准装置，其特征在于：所述共振管、所述过渡管和所述小管为铝材质薄壁管。

8.一种高声压传声器校准系统，其特征在于：包括如权利要求1至7任一权利要求所述的高声压传声器校准装置，还包括：

信号发生器，用于输出不同频率类型的电信号；

功率放大器，用于接收所述信号发生器输出的所述电信号，增大信号功率，以驱动所述扬声器发出声信号；

参考传声器；

校准传声器；

弹簧轭，用于将所述校准传声器在所述校准传声器插孔中压实，防止声泄露；

数据采集卡，用于从所述参考传声器和所述校准传声器中采集电信号，并转换为数字信号；

计算机，安装有谐波失真和声压级测量功能的测试软件，用于实时监控采集的信号值和数据后进行处理 。

9.根据权利要求8所述的高声压传声器校准系统，其特征在于：所述弹簧轭为带有弹簧的圆盘，所述圆盘中间设置有中央孔，所述中央孔的直径小于所述校准传声器前置，使所述校准传感器塞于所述圆盘的所述中央孔内，且所述弹簧轭的所述弹簧的尾部设置有小塞，可与所述高声压传声器校准装置的所述过渡管进行固定连接。

10.一种高声压传声器校准方法，其特征在于，使用权利要求8-9任一权利要求所述的高声压传声器校准系统，包括以下步骤：

步骤1：将待校准传声器插入所述过渡管顶部的所述校准传声器插孔，并用弹簧轭固定稳妥；

步骤2：将参考传声器插入所述过渡管管壁的所述参考传声器插孔，进行固定密封；

步骤3：将校准传声器和参考传声器连接数据采集卡和安装有谐波失真和声压级测量功能的测试软件的计算机；

步骤4：将扬声器与功率放大器和信号发生器进行电连接，打开信号发生器进行信号源输入，通过调节输入信号和功率放大器的放大倍数逐渐增大扬声器输出声压级，可在所述计算机测量软件中观察参考传声器测量声压级监测高声压传声器校准装置的所述耦合腔体内的声压值；

步骤5：先将耦合腔体内声压级调节到中等声压下，以参考传声器测量声压级为基准，对所述校准传声器进行声压校准；

步骤6：声压校准完成后，逐步提高所述扬声器输出声压级至达到测试要求的声压值，此时可测量校准传声器的失真值，判断是否满足技术指标要求。