声音与振动的物理原理 - 测量传声器解释说明

几乎所有电子装置均包含传声器—从手机、PC和便携式扬声器,到电视、笔记本电脑和智能手表。本文将从物理学角度介绍专门在系统中量化声音的传声器:测量传声器。

作者:DR RÉMI GUASTAVINO
声学专家
Brüel & Kjær

Brüel & Kjær自1945年开始开发与生产高端测量传声器。我们一直致力于传声器研发与校准技术,确保持续改善传声器的准确度与性能。正因如此,我们开发出了多种测量传声器,适用范围从声学地震波检测系统到安全气囊测量与超声应用。

物理原理
测量传声器以一种极简单的物理原理为基础:电容。传声器的电容与背板(硬板)和隔膜(拉紧的薄金属箔)之间的距离成反比。感受到声压时,隔膜发生变形,向靠近或远离背板的方向移动,改变系统电容。

电容的变化将转化为电压的变化。大多数测量传声器均以这一原理为基础。

尺寸
测量传声器按大小分为1-、½-、¼- 和1/8 英寸四种。隔膜越大,刚度越小,也越容易检测小幅声压变化,但另一方面,检测波长等于或大于隔膜,因此隔膜的尺寸会限制检测频率。大隔膜产生的噪声小,但小隔膜的检测频率大。小传声器在高频时的无指向特性较好。


对于典型的½英寸传声器,受到1帕斯卡的压力时,隔膜位移仅5纳米。在相同压力下,与地球等直径的隔膜仅移动5米。

频率为20 kHz(音频上限)的声波的波长为1.7 cm,接近食指的宽度。


您是否知道?
频率为20 kHz时,在压力场环境中使用自由场传声器会产生接近9 dB的误差。

 


灵敏度
灵敏度指传声器在特定声压下产生的电压,用V/Pa表示,并与频率有关。

1帕斯卡声压相当于94 dB SPL。因此大多数传声器校准器(如Brüel & Kjær的4231型声校准器)产生的声压为94 dB SPL-或1 Pa。

频率响应
因灵敏度与频率有关,频率响应定义为整个频率范围内的灵敏度。通常用相对于250 Hz的灵敏度表示,单位为dB。

动态范围
测量传声器的动态范围(如16 dBA − 143 dB)指传声器能作为线性传感器的范围。

第一个数字表示固有噪声。电容式传声器与前置放大器均会因电子元件的限制和布朗运动产生固有噪声。该噪声级产生的电压与传声器自噪声产生的电压相同。除非另有规定,否则测量噪声时通常选用1/3倍频程,通过A计权算法修正为人耳听力范围(22.4 Hz-22.4 kHz)。

第二个数字表示在总谐波失真小于3%的情况下可测量的最高声压级。

传声器的动态范围通常受前置放大器的限制。例如,CCLD(恒流源驱动)前置放大器在频率小于20 kHz时最高产生7V峰值电压。对于灵敏度为50 mV/Pa的传声器,最高可测量134 dB的声压级。如果使用传统前置放大器,能够将动态范围上限提高到146dB。

传声器的动态范围

 


你知道吗?
实验室标准传声器4180和4160是非常稳定的,世界上绝对声学测量都是以他们的灵敏度作为比对,且没有声源能够在宽频带产生足够低的不确定度的声压。

Brüel & Kjær的4191型 ½英寸自由场传感器的动态范围为20 dBA-162 dB(即142 dB)。如果转换为测量距离,这一范围对应于从一缕头发到三个埃菲尔铁塔堆叠后的高度。

声场解释说明
测量传声器的尺寸和形状会影响声压。这种影响取决于声场类型,并在每个传声器设计时都会考虑,通过优化传声器响应补偿这种影响,从而能够对给定声场产生平直的响应。测量传声器主要分为三类,每一类分别按照三种主要声场中的一种进行优化,因此选择最适用于声场的传声器是很重要的。

自由场
自由场指声波可在其中自由传播,不会受到任何阻碍的声场,这意味着无反射。可在消音室中或使用时间选择性响应(TSR)算法创造接近自由场的声场。

自由场传声器一般用于测量扬声器或室外声音。


扩散场
在扩散场中,所有方向的声波以相等的概率和声压级同时到达。可在墙壁较硬、包含多种同时产生声音或噪声的来源的建筑内、舱内、教堂内创造接近于扩散场的声场。如果不确定所在声场的类型,最好假设为扩散场,使测量误差最小。

扩散场传声器一般用于测量车辆内部噪声或建筑声学。


压力场
在压力场内,任何位置的声压均有相同的大小和相位。可在小空洞(波长小)(如人造耳)中创造接近于压力场的声场。

压力场传声器一般用于耦合器、风洞或任何嵌装测量装置。

 


确保稳定性
Brüel & Kjær的测量传感器拥有极高的稳定性,不受时间、温度、湿度与环境压力的影响。为实现最佳稳定性,我们精心选择高质材料;实施受控高温处理,模拟老化;释放传声器内部的张力;在生产过程中的每一步都对传声器进行测试。

制造过程中,我们将传声器放在“10级”洁净室内持续清洁,这表示每立方英尺内不足10个颗粒,且颗粒大小不超过0.5 µm。

作为对比,普通房间大约为“1,000,000级”。考虑到背板与隔膜间的距离大约为20 µm,如果腔内存在大于该尺寸的颗粒,将导致稳定性问题-尤其是发生冷凝或温度变化时。

如果薄膜穿孔,颗粒与残留将进入传声器内部,造成污染。在维修时实现同等级洁净度可能无法保证传声器实现最佳响应,因此,Brüel & Kjær不提供传声器维修服务。


您是否知道?
自1984年起,我们一直认真监测实验室标准传声器4160型与4180型的灵敏度,其稳定性保持在±0.02 dB范围内(意味着变化小于0.2%)。这些传声器广泛应用于全球各种校准系统。


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