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传声器的灵敏度
来源: | 作者:闫建伟 | 发布时间: 2020-05-16 | 2190 次浏览 | 分享到:
传声器作为一个声-电换能器,灵敏度是其重要指标,直接决定了分析仪分析出的信号与实际声压的等效关系。每个传声器出厂时都会明确给出其灵敏度值,但细心的用户会发现一个问题,出厂报告上给出的灵敏度与实际校准出来的灵敏度不一致,报告上的灵敏度会偏大。这是什么问题呢?


传声器作为一个声-电换能器,灵敏度是其重要指标,直接决定了分析仪分析出的信号与实际声压的等效关系。每个传声器出厂时都会明确给出其灵敏度值,但细心的用户会发现一个问题,出厂报告上给出的灵敏度与实际校准出来的灵敏度不一致,报告上的灵敏度会偏大。这是什么问题呢?

抛开老化导致的传声器灵敏度下跌的可能,其实这两个灵敏度不一致主要是因为他们表述的是两个不同系统的灵敏度。传声器报告中给出的灵敏度叫开路灵敏度,它标明的是该传声器不带任何负载情况下的实际声能转换能力;而我们在实际应用中,校准出来的灵敏度是负载灵敏度,他包含了前置放大器、线缆、分析仪等整个系统的灵敏度。

首先,前置放大器的影响。前置放大器是一个输入电阻很高、输入电容很低、输出阻抗也很低的特种放大器。我们声学测量中一般使用电容传声器,其等效输出阻抗非常大,是无法直接连接到分析仪上的,所以我们需要一个前置放大器配合使用,以进行阻抗变换。传声器与前置放大器的等效图如下图所示:

 

Voc表示输入电压,Cm表示电容传声器的等效电容,在Ci表示前置放大器的输入电容、Ri表示前置放大器的输入电阻,g表示前置放大器的传输增益、Ro表示输出电阻,Cc表示线缆的等效电容,Vo表示输出电压。

对整个系统进行分析,则该系统的传输公式如下。

 

由于前置放大器的输入阻抗一般大于2GΩ,在计算中可以忽略不计,而线缆电容、输出电阻主要对信号的高频影响比较大,所以此公式可化简为如下:

 

将其以dB表示,则得到如下公式:

 

通过这个公式,我们可以大致算出传声器配合前置放大器后的输出衰减。这些指标我们可以从传声器和前置放大器的说明中得到,比如我们常用的AWA14423传声器,它的电容量(Cm)约为19pF;AWA14604型前置放大器,它的传输增益(g)约为-0.15dB,输入电阻(Ri)>10GΩ,输入电容(Ci)0.35pF,输出电阻(Ro<150Ω。则AWA14423配合AWA14601使用时,其灵敏度级较AWA14423的开路灵敏度级相差约20*log(19/(19+0.35)-0.15=0.3dB

其次,分析仪的误差,校准器的差异都会导致开路灵敏度与实际校准灵敏度的差异。信号分析仪的误差主要表现在其幅值准确性上,AWA6290L的准确度控制在±0.1dB;而1级校准器其声压级准确度控制在±0.3dB,2级校准器其声压级准确度控制在±0.5dB。这些误差都可能叠加在实际的校准灵敏度上。

此外,实际校准过程中,自由场的修正,外界声场的干扰,温湿度的影响等都可能对影响我们的校准灵敏度结果。报告中给出的开路灵敏度一般以250Hz频率点给出,此时压力场开路灵敏度与自由场开路灵敏度相同,而实际校准中大部分情况下在1kHz处进行,此时如果是自由场传声器便要进行自由场修正。1/2’’传声器约进行0.2dB的修正,1’’传声器约进行0.4dB的修正。

所以在实际使用中,AWA14423AWA14604AWA6290L配合使用时,其实际校准灵敏度级最大可能比开路灵敏度级小1dB左右。如果两者相差较多,便要考虑传声器的老化破损可能了。