声学测量换能器

1. 第二章 声学测量换能器

2. 一、测量用水声换能器 二、测量用电声换能器 三、测振传感器—加速度计

3. 一、测量用水声换能器 1、水听器 2、水声发射换能器

4. 1、水听器 （1）分类 （2）参数 （3） GB/T4128-1995 （4）其他技术要求 （5）国内外典型水听器介绍

5. (1) 分类： 根据其用途和校准的准确度 根据其使用材料

6. 根据其用途和校准的准确度分为两级： a、一级标准水听器：建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。绝对法校准。 b、二级标准水听器（测量水听器）：用作实验室中一般测试。比较法校准。

7. 根据其使用材料可分为： a、压电式：压电材料有硫酸锂单晶体、偏铌酸铅或锆钛酸铅一类的压电陶瓷。最近又出现复合压电材料聚偏氟乙稀压电薄膜（PVDF）制作的水听器。 b、动圈式： c、磁致伸缩式： d、光纤式：

8. (2) 参数： ①水听器接收灵敏度 ②水听器的指向性 ③水声换能器的阻抗 ④动态范围

9. 水听器接收灵敏度 • 水听器自由场电压灵敏度： • 水听器声压灵敏度： 水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值 水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值 back

10. 水听器的指向性 1.指向性响应图 2.指向性指数 3.指向性因数 back

11. 指向性响应图 表示远场传来的平面波入射到水听器接收面上的平均声压随入射方向变化的曲线图，或者说，它是水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。 发射指向性图是表示它在自由场中辐射声波时，在其远场中声能空间分布的图象。换能器的发射指向性图会随发射信号频率的改变而变化，即同一发射换能器当发射不同频率的信号时，其辐射声能在空间的分布是不同的.

12. 指向性响应图——波束宽度和旁瓣级 • 波束宽度：主瓣或主声束两侧的两个方向之间的夹角。

13. 指向性指数 指向性因数 *指向性指数和指向性因数是用来度量指向性图主瓣或主波束的尖锐程度的特征参量，也是声呐方程的一个重要参数。 *对于发射换能器，其发射指向性因数和发射指向性指数是指：在参考方向上（通常指声轴向）远场中某点的声强（或声压有效值平方）与相同距离上各方向的声强平均值（或声压有效值平方的平均值）之比为发射指向性因数，此比值的分贝数称为发射指向性指数。

14. 指向性指数 指向性因数 *对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数

15. 水声换能器的阻抗 指在它的电路端测得的等效电阻抗（或电导纳） 在某频率下加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。 back

16. 动态范围 水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差 水听器的过载声压级 水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级 引起水听器过载的作用声压级 水听器的等效噪声压 back

17. 指向性 自由场灵敏度频率响应 灵敏度 一、二级标准水听器声学性能指标要求 稳定性 灵敏度校准及其准确度 动态范围 (3)GB/T4128-1995 back

18. 灵敏度 • 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。 • 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率范围的压电型标准水听器（以下同）： • 一级：不低于-205dB(0dB re 1v /μpa) • 二级：不低于-210dB（0dB re 1v/μpa）

19. 自由场灵敏度频率响应 • 自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范围内，至少有三个十倍频程范围： • 一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。 • 二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。

20. 灵敏度校准及其准确度 • 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应优于±0.7dB。 • 低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于±1.5dB。

21. 指向性 一级： 水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于300，在选定方向（或主轴）±50的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。 垂直指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于150，在选定方向（或主轴）±20的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。 二级： 在使用的频率范围内，其水平指向性图与理想的全指向性图的偏差应小于±2dB。

22. 动态范围 • 一级： • 在60dB的动态范围内，非线性偏差应小于±0.2dB。 • 二级： • 在60dB的动态范围内，非线性偏差应小于±0.5dB。

23. 稳定性 • 时间稳定性： 每年校准一次，其变化应在校准准确度以内。 • 温度稳定性： 在0~400C工作温度范围内，灵敏度变化应小于0.04 dB/ 0C。 在0~400C工作温度范围内，灵敏度变化应小于0.05 dB/ 0C。 • 静压稳定性： 0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.3 dB/MPa。在0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.4 dB/MPa

24. 其他技术要求 机械性能要求： •水听器暴露于水中的所有金属和非金属部件都要采用耐腐蚀材料制作。 •水听器的参考声中心位置及测量方向要有明显标志。 •水听器相对于它的周围媒质应是声学刚性的。 电学性能要求： •对于不带前放的水听器，在电缆端测得的绝缘电阻应大于100MΩ（测试电压不小于100V）。 •高阻抗的敏感元件应有电屏蔽。 •连接电缆应不少于10m，当敏感元件的电容量小于连接电缆的电容量时一般应连接前置放大器。 back

25. （4）国内外典型水听器介绍 • ①国内： • ●RHS、RHC和RHA系列 • ②国外： • ●8100系列 back

26. （5）使用与维护： ①合理选择水听器. ②标准水听器每年应经计量部门检定一次。 ③检查水听器的绝缘电阻时，试验电压不小于100v。 ④注意存放环境。 ⑤用完后妥善保管 ⑥水听器的压电元件电容值不可低于水听器连接电缆本身的电容值。所以选用低分布电容电缆。 back

27. 2、水声发射换能器 （1）分级： 标准声源与测量用声源两级。 （2）参数： ① 发射换能器发送响应 ② 输入电功率、发射声功率和电声效率 ③ 指向性、阻抗 back

28. 分为三类： 发送电压响应 发送电流响应 发送功率响应 发射换能器发送响应： 发送电压响应：发射换能器在某频率下、在指定方向上的远场中离其声中心某参考距离处的声压和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压的比值。 back

29. 输入电功率、发射声功率和电声效率 输入电功率是其功率源吸收的有用功率。 发射声功率是其在单位时间内向介质声场发射出的 有效声能量。 电声效率 是其输出声功率与输入总电功率的比值。 换 能器的电声效率实际上也等于其机电 效率与机声效率的乘积。 back

30. 二、测量用电声换能器 • 传声器 • 扬声器 back

31. 1、传声器 （1） 分类 （2） 参数 （3） 使用与维护 传声器（Microphone）俗称话筒，音译作麦克风，是一种声－电换能器件。 back

32. （1）分类 ①按照准确度和用途分 ——基准传声器 ——标准传声器 ——工作传声器

33. 电动传声器是以电磁感应为原理，以在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器，常见的有动圈式和带式两种电动传声器是以电磁感应为原理，以在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器，常见的有动圈式和带式两种 ②按工作原理分 电动式： ——动圈式传声器 ——带式传声器 静电式： ——压电式传声器 ——电容式传声器 *驻极体传声器 ③按与音响设备连接方式分 有线传声器 无线传声器 静电传声器是以电场变化为原理的传声器，常见的有电容式和压电式两种 back

34. ●带式传声器：振动系统是一条悬挂在强磁场中的波状合金箔。它的频率响应极好，特别是瞬态特性好，音色柔和自然，指向性为双向，但输出电平极低，而且防风耐震性差，易损坏，不宜在室外使用。目前除特殊用途外，已很少使用。●带式传声器：振动系统是一条悬挂在强磁场中的波状合金箔。它的频率响应极好，特别是瞬态特性好，音色柔和自然，指向性为双向，但输出电平极低，而且防风耐震性差，易损坏，不宜在室外使用。目前除特殊用途外，已很少使用。 动圈式传声器： 以悬浮于磁路系统中的音圈切割磁力线而产生电压输出。它的结构牢固，性能稳定，电声性能良好，能承受强音而不失真，价格较便宜，是一种耐用的传声器，广泛应用于一般音响系统。 电动式传声器 back

35. 静电式传声器 ●电容传声器：以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器，但这种传声器制造工艺复杂，价格高，需外加60～200V的极化电压源，一般在专业领域使用较多。 ●压电传声器：利用压电晶体的压电效应制作。它的输出电平高，价格低，但稳定性和频率响应不理想，不适于高质量工作，已趋淘汰。 back

36. 驻极体传声器 利用驻极体材料制作的电容传声器，音质接近电容式，无需极化电压，阻抗变换用前置放大器使用低噪声场效应管，由电池供电。这种传声器结构简单，电声性能好，体积小，耐振动，价格较低，有较广泛的应用。 back

37. （2）参数 灵敏度 频率响应 指向性 有效频率范围 动态 范围 输出 阻抗 back

38. 传声器平面自由声场灵敏度是指在给定频率的正弦声波激励下，传声器的开路输出电压与传声器放入声场以前传声器中心位置上平面自由声场声压之比传声器平面自由声场灵敏度是指在给定频率的正弦声波激励下，传声器的开路输出电压与传声器放入声场以前传声器中心位置上平面自由声场声压之比 传声器的灵敏度： *声场灵敏度 —平面自由声场灵敏度 —扩散声场灵敏度 *声压灵敏度 传声器扩散声场灵敏度是指传声器的开路输出电压与传声器放入扩散声场之前在传声器放置位置上的扩散声场声压之比 传声器声压灵敏度是指实际作用在传声器膜片上的声压与其开路输出电压之比 back

39. 声压灵敏度与声场灵敏度的区别： •两者的频响曲线不同，特别在高频端。 •使用场合不同 平面自由场灵敏度用于消声室等自由场环境下测试，而扩散声场灵敏度则使用于扩散场中，声压灵敏度用于仿真耳等腔室内测量使用。 •校准方法不同 自由声场灵敏度在消声室采用互易法校准，声压灵敏度在耦合腔中采用互易法校准。 back

40. 传声器的指向性：传声器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性。传声器的指向性常用指向性图、指向性指数和指向性频率响应来表示。传声器的指向性：传声器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性。传声器的指向性常用指向性图、指向性指数和指向性频率响应来表示。 ●传声器指向性图：在某一频率下的灵敏度随声波入射角的变化，用极坐标表示所得的曲线。 ●传声器的指向性因数：传声器某一频率的正向自由场灵敏度的平方与其同频率的扩散场灵敏度平方之比。用对数表示则为传声器的指向性指数 。 back

41. 传声器的频率响应：指在某一确定的声场中，声波以一指定的方向入射，并保持声压恒定时，传声器的开路输出电压随频率变化的曲线。根据使用的场合不同可分为传声器的频率响应：指在某一确定的声场中，声波以一指定的方向入射，并保持声压恒定时，传声器的开路输出电压随频率变化的曲线。根据使用的场合不同可分为 ●自由场频率响应：传声器置于自由声场中，其平面自由场灵敏度随频率变化的曲线。 ●声压频率响应：当传声器的声压灵敏度与频率之间的关系以声压灵敏度频率响应曲线来表示。 ●扩散场频率响应：当传声器的扩散场灵敏度与频率之间的关系，以传声器扩散场灵敏度频率响应曲线来表示 back

42. 有效频率范围：某一传声器它的实际频响曲线与典型频响曲线相比，偏差在允许的范围内的最大频率间隔。对于每一类型的传声器，生产厂家都要给出一个典型的频率响应曲线的范围，并且为了保证其产品一致性，还需要规定实际频响曲线与典型频响曲线允许的误差。 back

43. 传声器输出阻抗：每只传声器都有一定的内阻抗，从输出端测得的内阻抗的模就是传声器输出阻抗。一般以频率为1000Hz的阻抗值为标称值。传声器输出阻抗：每只传声器都有一定的内阻抗，从输出端测得的内阻抗的模就是传声器输出阻抗。一般以频率为1000Hz的阻抗值为标称值。 • ：传声器的输出阻抗的大小直接决定输出电缆线的长短。传声器的输出阻抗高，灵敏度也高，但是易受外界的干扰，其输出电缆不能太长，否则电缆线上感应的外界干扰在传声器内阻上有较大的电压降，严重的可能导致传声器无法工作。反之，传声器的输出阻抗低不易受外界的干扰，允许用长的输出电缆线。 注意 back

44. 传声器的动态范围 指传声器所能接收声音的大小，以传声器的最高声压级减去等效噪声级就是该传声器的动态范围。 其上限受到失真的限制，下限受到固有噪声的限制。 back

45. （3）电容传声器的使用与维护 ①电容传声器的选择 ②电容传声器的布放 ③电容传声器的极化电压设置 ④电容传声器的膜片保护 ⑤工作环境温度要求 ⑥正确使用防风罩和防风屏 back

46. ①电容传声器的选择： 测量时应根据测量目的、被测声波频率范围、声场类型、测量环境等选择合适的传声器。在自由场条件下，多数户外测量和有些室内噪声测量，声音只来自一个方向，这时应使用场型传声器；在耦合腔中测量应使用声压型传声器；无规入射传声器是均匀地响应同时来自各个方向的声波，因此常用于扩散场测量。 back

47. ②电容传声器的布放： 在自由场中测量时，场型传声器应指向声 源方向，即传声器膜片与声波方向垂直，而声压型传声器应使其膜片平行于声波传播方向。 back

48. ③电容传声器的极化电压设置： 每个电容传声器有不同的极化电压，因此使用时必须注意极化电压值的设置。若所加极化电压值过高，则容易击穿传声器膜片，而所加极化电压值远低于规定值时，会使传声器灵敏度下降，甚至不能正常工作。所以在不知电容传声器极化电压的情形下，不可以任意互换声学仪器上的传声器。 back

49. ④电容传声器的膜片保护： 电容传声器的膜片是声学仪器中娇气的部件，价格较贵，容易损坏，使用时要特别当心：不要随便打开前面的保护栅，切忌用手或其它东西触摸膜片；当必须将保护栅旋下时，操作中要小心谨慎，不可触摸膜片，并应避免保护栅变形；应用柔软毛刷蘸无水乙醇洗刷膜片，切不可用手或其他东西擦拭膜片，并且擦洗完后要烘干。 back

50. ⑤工作环境温度要求： 电容传声器工作时要保证膜片干燥，否则会使传声器出现跳火或短路现象而无法工作或报废。 ⑥正确使用防风罩和防风屏。 back