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自由場、壓力場、隨機(jī)入射場三種響應(yīng)類型傳聲器如何選擇

時間:2024-5-10 閱讀:689
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電容式傳聲器是聲學(xué)測量中傳聲器類型,其性能對測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、壓力場和隨機(jī)入射場。下面,就讓我們一一來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、自由場傳聲器

響應(yīng)類型是自由場類型,如圖1所示。當(dāng)聲音來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),且測試環(huán)境中的聲反射降為最小時,這種情況下自由場傳聲器的測量結(jié)果精確。

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圖1 自由場傳聲器

自由場傳聲器設(shè)計用于測量膜片處的聲壓,假設(shè)傳聲器對原來的聲場沒有影響,仿佛傳聲器不存在一樣。但是,當(dāng)頻率高到聲波波長和傳聲器的尺寸接近時,傳聲器放在聲場中后,衍射效應(yīng)會改變原來的聲場。這個效應(yīng)在傳聲器的設(shè)計和校準(zhǔn)時必須要予以考慮,以保證測試數(shù)據(jù)的精度。

自由場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合。

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二、壓力場傳聲器

第二種響應(yīng)類型稱為壓力場傳聲器,如圖2所示。電容式壓力場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量聲壓。壓力場傳聲器通常安裝在墻或者面板中,傳聲器的測量表面與物體表面平齊。壓力場傳聲器不需要考慮傳聲器本身對聲場的影響。壓力場中各處的幅值和相位視為是相等的。

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圖2 壓力場傳聲器

壓力場傳聲器通常用于尺寸小于聲波波長的圍隔中。測試施加于墻上、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傳聲器的應(yīng)用實(shí)例。

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三、隨機(jī)入射場傳聲器

第三種類型稱為隨機(jī)入射場傳聲器,如圖3所示。

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圖3 隨機(jī)入射場傳聲器

這類傳聲器也被稱作擴(kuò)散場傳聲器。隨機(jī)入射場傳聲器設(shè)計為全指向性,測量來自多方向、多聲源、多次反射的聲壓。隨機(jī)入射場傳聲器需要補(bǔ)償其自身對聲場的影響。為得到擴(kuò)散場中的精確響應(yīng),需要考慮對所有標(biāo)定過的入射角度的凈效應(yīng)做平均。這項工作是由傳聲器制造商在設(shè)計和標(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)測量時,應(yīng)該使用隨機(jī)入射場傳聲器,以精確地測量來自多聲源的聲音。

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四、不同響應(yīng)類型傳聲器的選擇

在低頻(≤1 kHz)時,不論傳聲器的響應(yīng)類型是自由場,隨機(jī)入射場,還是壓力場,其輸出的測試數(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)行測試。

隨著測試頻率的增高,聲波波長變小。當(dāng)聲波的波長和傳聲器本身的尺寸接近時,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,如果在自由場聲場中,采用1/2?的壓力場傳聲器進(jìn)行聲壓測量,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.測試頻率低于≤1 kHz時,不必考慮傳聲器的響應(yīng)類型;

2.測試頻率高于≥1 kHz時,選擇和測試的聲場類型匹配的傳聲器;

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

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適應(yīng)性。

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