Page 117 - 《应用声学》2023年第2期

第 42 卷 第 2 期 殷昊等： 扬声器激励次声频校正器的设计和性能分析
0 引言
频率低于 20 Hz 的声波称为次声。次声监测技
术在军事、环境监测和工业生产等方面具有广泛的
应用。次声传感器良好的频响特性是进行次声监测
技术的重要前提和保障，传感器的校准是保证声学
测量准确的关键。次声传感器的校准方法有很多，
如耦合腔互易法、静电激励器法、活塞发声器法 (也
称气腔压力法) 和关联传声器法等。耦合腔互易法
校准精度高，但该方法应用较为复杂，受限于传声器
作为次声发声单元较弱的信噪比等因素，难以达到
2 Hz 以下的准确校准；静电激励器法测量传声器的
相对频率响应简单快捷，但是不能直接得到所有频
率处的声压灵敏度，且在低频测量时受外界气流影
响较大、对校准装置要求较高；关联传声器法要求
除膜片张力外其他条件均相同的传声器，在实际使
用中常常难以满足 [1] ；相比而言，活塞发声器法应
用较为广泛，且对环境条件、传声器适应性强，校准
频率可达0.1 Hz。
活塞发声器法最早是由 Wente [2] 提出，该方
法是目前被认为最适用于次声传感器校准的方
法 [3] 。现在很多研究对其进行了改进，包括使校
准频率下限降低和校准精度提高，具体有振动台
活塞发声器法、激光式活塞发声器法、线性可变差
动变压器 (Linear-variable-differential transformer,
LVDT) 式活塞发声器法等 [4] 。1976 年，英国国家
物理试验室 (NPL) 研制出了第一代基于激光干
涉仪的次声活塞发声器 [5] ，其工作频率范围为
0.1 ∼ 100 Hz，后来经过不断改进，频率 20 Hz 以下
传感器声压灵敏度级的误差为 0.07 dB，1 Hz 下的
误差为 0.25 dB [6−8] 。2004 年，土耳其国家计量院
(UME) 建立了类似的校准装置 [9] 。2007 年，中航
工业第一集团304所研制出一种微压传感器绝对动
态校准装置 [10] ，该装置使用活塞发声器的原理对
传感器进行校准，频率范围为 5 Hz ∼ 2 kHz。2012
年，中国计量科学研究院基于位移反馈技术，通过
低频振动台实现了低失真的大腔体次声校准源，适
用于 0.01 Hz 甚至更低频段的次声传感器校准
2016 年，何龙标等 [12] 研制了低失真、低泄漏的激
光活塞发声器，在 0.1 ∼ 20 Hz 范围内获得的声压
位移总谐波失真(Total harmonic distortion, THD)
小于0.8%，适用于次声传感器的校准。同年，张炳毅
305
等 [13] 在国内缺乏次声传感器相位校准手段时开展
了相位校准原理性验证研究，通过采集 2 个传感器
信号的时间差得到相位差，试验结果与理论相位差
基本一致，但是在0.5 Hz 及以下误差较大。2020年，
滕鹏晓等 [14] 提供了一种次声传感器的便携式校准
装置，该装置通过电机控制减速齿轮降低电机的转
速至次声频率范围，能够检测次声传感器的工作状
态以及定期标定传感器的灵敏度参数，克服了标定
野外传感器费时费力的技术缺陷。刘迪等 [15] 基于
活塞发生器校准原理下的压力泄漏与热传导耦合
衰减模型，创新性地提出了模型比较法，准确量化
了次声段校准核心的泄漏、热传导独立与耦合修正
量，验证并揭示了声压泄漏与热传导损失的幅值与
相位变化机理。随着大量次声传感器的应用，为方
便野外次声监测台阵的建设和定期、不定期的次声
传感器的性能检验，本文设计并实现了一种携带方
便、使用简便、性能稳定的基于扬声器激励、薄膜密
封的活塞式结构次声传感器校准装置。
1 便携式次声传感器校准装置
1.1 设计原理
活塞发声器的基本原理是在尺寸远小于媒质
中声波波长的密闭腔中 (尺寸至少是波长的 1/20)，
通过活塞的运动，在密闭腔中激励出平面波，活塞发
声器中的声压表示为 [16]
2
γP 0 d x
p = π , (1)
4V 0
其中，p为声压，p = ∆P；γ 为气体的比热比；p 0 为初
始静压，V 0 为活塞处于平衡位置时密闭腔的体积；d
是活塞的直径；x是活塞运动的位移。
1.2 校准装置组成
该装置的设计充分考虑便携性、模块化和性能
稳定性的需要，在广泛调研现有成熟技术的基础上，
除次声标准源和计算分析与控制软件外皆采用现
有成熟产品，该装置的主要组成如图 1 所示。校准
装置的主要硬件包括信号发生器、功率放大器、参
[11] 。 考传声器单元、信号调理器和数据采集卡。信号发
生器采用美国 KEYSIGHT 33210A 型，具有信号波
形失真小、幅度和频率变化时输出信号波形无跳变
的优点；功率放大器采用NIM-PA10型，增益偏差小
于0.2 dB，在0.1 ∼ 1000 Hz 范围的频率响应误差不