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自由場(chǎng)、壓力場(chǎng)、隨機(jī)入射場(chǎng)三種響應(yīng)類型傳聲器如何選擇

來(lái)源:湖南艾克賽普測(cè)控科技有限公司   2024年05月10日 10:48  

電容式傳聲器是聲學(xué)測(cè)量中傳聲器類型,其性能對(duì)測(cè)量精度有著重要的影響。電容式傳聲器有三種響應(yīng)類型,分別是:自由場(chǎng)、壓力場(chǎng)和隨機(jī)入射場(chǎng)。下面,就讓我們一一來(lái)了解一下這三種響應(yīng)類型及不同響應(yīng)類型的傳聲器的選擇。

一、自由場(chǎng)傳聲器

響應(yīng)類型是自由場(chǎng)類型,如圖1所示。當(dāng)聲音來(lái)自單一方向和單一聲源, 聲波的傳播方向和傳聲器膜片垂直(0°入射角),且測(cè)試環(huán)境中的聲反射降為最小時(shí),這種情況下自由場(chǎng)傳聲器的測(cè)量結(jié)果精確。

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圖1 自由場(chǎng)傳聲器

自由場(chǎng)傳聲器設(shè)計(jì)用于測(cè)量膜片處的聲壓,假設(shè)傳聲器對(duì)原來(lái)的聲場(chǎng)沒有影響,仿佛傳聲器不存在一樣。但是,當(dāng)頻率高到聲波波長(zhǎng)和傳聲器的尺寸接近時(shí),傳聲器放在聲場(chǎng)中后,衍射效應(yīng)會(huì)改變?cè)瓉?lái)的聲場(chǎng)。這個(gè)效應(yīng)在傳聲器的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)時(shí)必須要予以考慮,以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的精度。

自由場(chǎng)傳聲器于空曠的沒有反射物的環(huán)境下,如消聲室和開闊地等這些場(chǎng)合。

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二、壓力場(chǎng)傳聲器

第二種響應(yīng)類型稱為壓力場(chǎng)傳聲器,如圖2所示。電容式壓力場(chǎng)傳聲器的使用方法和壓電式或標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器類似,典型用于在管道或空腔中測(cè)量聲壓。壓力場(chǎng)傳聲器通常安裝在墻或者面板中,傳聲器的測(cè)量表面與物體表面平齊。壓力場(chǎng)傳聲器不需要考慮傳聲器本身對(duì)聲場(chǎng)的影響。壓力場(chǎng)中各處的幅值和相位視為是相等的。

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圖2 壓力場(chǎng)傳聲器

壓力場(chǎng)傳聲器通常用于尺寸小于聲波波長(zhǎng)的圍隔中。測(cè)試施加于墻上、機(jī)翼上、結(jié)構(gòu)(如管道、殼、空腔等)內(nèi)部的聲壓都是壓力場(chǎng)傳聲器的應(yīng)用實(shí)例。

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三、隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器

第三種類型稱為隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器,如圖3所示。

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圖3 隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器

這類傳聲器也被稱作擴(kuò)散場(chǎng)傳聲器。隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器設(shè)計(jì)為全指向性,測(cè)量來(lái)自多方向、多聲源、多次反射的聲壓。隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器需要補(bǔ)償其自身對(duì)聲場(chǎng)的影響。為得到擴(kuò)散場(chǎng)中的精確響應(yīng),需要考慮對(duì)所有標(biāo)定過(guò)的入射角度的凈效應(yīng)做平均。這項(xiàng)工作是由傳聲器制造商在設(shè)計(jì)和標(biāo)定階段完成的。

當(dāng)在混響室、教堂或者其他具有硬反射墻面的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量時(shí),應(yīng)該使用隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器,以精確地測(cè)量來(lái)自多聲源的聲音。

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四、不同響應(yīng)類型傳聲器的選擇

在低頻(≤1 kHz)時(shí),不論傳聲器的響應(yīng)類型是自由場(chǎng),隨機(jī)入射場(chǎng),還是壓力場(chǎng),其輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)是一致的,差別在0.2dB以內(nèi),因此,可以選用任意一種類型的傳聲器進(jìn)行測(cè)試。

隨著測(cè)試頻率的增高,聲波波長(zhǎng)變小。當(dāng)聲波的波長(zhǎng)和傳聲器本身的尺寸接近時(shí),不同響應(yīng)類型的傳聲器的輸出之間的差異開始變大。

如圖4所示,對(duì)于1/2?傳聲器,在20 kHz頻率點(diǎn)處,不同響應(yīng)類型的傳聲器的輸出的差異接近10 dB。換言之,如果在自由場(chǎng)聲場(chǎng)中,采用1/2?的壓力場(chǎng)傳聲器進(jìn)行聲壓測(cè)量,其誤差接近10 dB。

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圖4 不同響應(yīng)類型的1/2?傳聲器的輸出的比較

從圖5可以看到,對(duì)于1/4?(6mm)傳聲器,在20 kHz頻率點(diǎn)處,不同響應(yīng)類型的傳聲器的輸出的差異接近6dB,小于1/2?傳聲器的10 dB的差異。

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圖5 不同響應(yīng)類型的1/4?傳聲器的輸出的比較


綜上,關(guān)于選擇合適的響應(yīng)類型的傳聲器,我們提供以下建議:

1.測(cè)試頻率低于≤1 kHz時(shí),不必考慮傳聲器的響應(yīng)類型;

2.測(cè)試頻率高于≥1 kHz時(shí),選擇和測(cè)試的聲場(chǎng)類型匹配的傳聲器;

3.如果已知傳聲器在不同類型聲場(chǎng)中的響應(yīng),可以通過(guò)后處理對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,則不必考慮傳聲器與聲場(chǎng)是否匹配;

4.較之大尺寸傳聲器,小尺寸的傳聲器具有更好的多類型聲場(chǎng)適應(yīng)性。

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