Page 131 - 《应用声学》2021年第6期

第 40 卷 第 6 期 刘迪等： 传声器次声段灵敏度校准的误差机理研究 927

out. The simulation results show that the amplitude and phase frequency response of microphone sensitivity is
significantly different in the ventin-field and vent-outfield, but it is not related to leakage and heat conduction
in the calibration chamber. The primary calibration of the microphone system was carried out based on
the built primary calibration platform of the pistonphone. The significant difference between the amplitude
sensitivity and phase sensitivity of microphone for ventinfield and ventoutfield calibration mechanisms were
revealed preliminarily by experimental means.
Keywords: Leakage and heat conduction; Numerical simulation; Amplitude and phase characteristics; Error
mechanism; Primary calibration of sensitivity
Frederiksen [7] 采用电声类比方法构建出了考虑传
0 引言
声器后腔的泄漏和热传导效应低频灵敏度模型，得
次声波广泛存在于自然界与人类的各种活动 出了传声器分别在校准腔内的声场和外界大气声

中，次声声压的准确测量是人体避免次声伤害和次 场中灵敏度频率响应，但是由于模型中的大量参数
声技术广泛应用的关键。次声波的定量研究依托传 没有确定物理含义，使得该方法只适用于定性研究。
声器的精确测量实现。由于传声器受泄漏和热传导 裘剑敏等 [8] 指出传声器的频率响应受到其均压孔
因素影响，具有明显的低频非线性衰减特征，因此揭 所处位置的影响，发现由于均压孔的位置不同，传
示次声传声器校准过程中多物理因素综合作用下 声器后腔声顺随频率降低而变化，从而造成灵敏度
传声器的灵敏度变化误差机理是保证传声器精确 校准偏差。Marston [9] 设计了适应于 0.002 ∼ 20 Hz
测量，也是声压量值溯源的根基。 频率范围内校准的次声活塞发生器，通过阻抗类比
传声器的声学校准分为次级校准和原级校准。 法建立了考虑黏滞损耗的校准声压模型，发现传声
次级校准是使用比较法对传声器进行校准 [1] ，其校 器的相位灵敏度在低频段会出现相位超前的现象。
准精度取决于比较中更高等级的参考传声器，而参 张炳毅等 [10] 指出泄漏和热传导等因素是制约校准
考传声器的灵敏度是经过原级校准得到的。原级校 低频截止频率的主要原因，也是影响低频校准关键。
准方法是通过参照非声学标准进行校准，能够达到 以上方法虽然发现了泄漏与热传导效应在校准过
尽可能高的精度。原级校准方法主要包括耦合腔互 程对传声器响应的影响，但均没有定量研究校准结
易法和活塞发生器法 [2−3] ，但耦合腔互易法的声阻 果中的误差机理。
抗模型不适用次声段校准，而活塞发生器法能够作 传声器的幅值校准是实现次声声压量值的复
为互易法的补充来进行次声段的校准。活塞发生器 现和传递的关键。而传声器的相位校准是保证次声
产生的标准压力信号与活塞位移、腔体结构参数等 声源信号定位精度的核心 [11−12] 。目前中国科学院
直接相关，并有相应的修正理论对其误差因素进行 声学研究所已在全国建立多个次声监测站点，用于
补偿，可保证次声声压量值溯源到国际单位。活塞 检测和确定在次声范围内的声源定位，为我国的环
发生器法依据激励源不同包含扬声器激励 [4] 、激振 境次声监测提供了数据支撑。研究传声器灵敏度幅
器激励 [5] 、标准振动台激励 [6] 和电机激励 [3] 等多种 值与相位校准中因多物理效应作用而产生的误差
形式，前三者均不能输出恒定幅相频特性的激励，造 机理是次声防护和应用的技术保障。
成传感器校准的不便。此外，扬声器、激振器激励在
低频段位移输出的信噪比很差，而标准振动台的调 1 压力泄漏与热传导的幅相特性
试和维持精度较为困难，并需要激光测振仪等实现
反馈，成本十分高昂，不便推广。而目前市场上的 1.1 原级校准下的双重耦合机制
商用化伺服电机能够覆盖 0.01 ∼ 100 Hz 的校准频 基于低速伺服电机激励的活塞发生装置能够
[7]
率，因此以伺服电机为激励源的活塞发生器能够满 实现低频测量下限达到 0.01 Hz ，如图 1 所示。校
足传声器在次声段的原级校准。 准装置的工作原理是伺服电机推动活塞在校准腔
国内外学者对次声段校准核心泄漏、热传导等 体内做往复运动产生声压，依据理想气体状态方程
因素对传声器灵敏度响应的影响进行了一些研究。 确定活塞发生装置腔内的校准声压。