第二章测量用换能器

一、水声换能器二、电声换能器三、振动传感器第2章测量换能器一、水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验

1.水听器（1）分类（2）参数（3）GB/T4128-1995（4）国内外典型水听器介绍（5）使用与维护

(1)分类

·

根据其用途和校准的准确度

·

根据其使用材料

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。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。后来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（电动式）c、磁致伸缩式d、光纤式(2)参数①水听器接收灵敏度②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范围

水听器自由场电压灵敏度：①水听器接收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。·

水听器声压灵敏度：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。

·

指向性响应图·

指向性指数·

指向性因数

②水听器的指向性水听器的指向性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。

·波束宽度：主瓣或主声束两侧的两个方向之间的夹角。指向性响应图参数——波束宽度和旁瓣级·旁瓣级：指向性指数和指向性因数

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。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。指在它的输出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。③水听器的电阻抗

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。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④动态范围引起水听器过载的作用声压级。水听器的等效噪声压级（3）GB/T4128-1995一、二级标准水听器声学性能指标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(0dBre1v/μPa)二级：不低于-210dB（0dBre1v/μPa）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。

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。

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。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。

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温度范围内，灵敏度变化应小于0.04dB/0C。在0~400C温度范围内，灵敏度变化应小于0.05dB/0C。

静压稳定性：

0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.3dB/MPa。

0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.4dB/MPa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。（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。2.水声发射换能器（1）分类

同水听器。

※无光纤式，但稀土材料的发射换能器是一种新型换能器。（3）参数：①发射换能器发送响应②发射换能器指向性③发射换能器电阻抗④输入电功率、发射声功率和电声效率

①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。发送电流响应发送功率响应②发射换能器的指向性

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.

发射指向性因数和发射指向性指数

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。

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。

3.实验目的原理方法数据处理（1）换能器阻抗特性以压电式为例：zb—阻挡阻抗zd—动生阻抗Φ—机电转换系数0jBdGd（2）换能器阻抗特性曲线测量原理

①小信号激励下测量方法※②大信号激励下测量方法HP4294APV50A1）导纳坐标系GBF坐标曲线：2）阻抗坐标系RXF坐标曲线：3）阻抗极坐标系ZθF坐标曲线：

4）导纳极坐标系YθF坐标曲线：

5）对数极坐标系ZθF或YθF坐标曲线：

单谐振

多谐振

Ⅲ测量结果及分析电导纳频率特性曲线MN——损耗线AB——Gt总电导CB——Gb静电导AC——Gd动电导半功率带宽机械品质因数二、电声换能器1.传声器2.扬声器3.实验(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。1.测量用传声器(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

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(2)参数灵敏度指向性频率响应有效频率范围输出阻抗动态范围传声器的灵敏度：

*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

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。（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2.扬声器

扬声器是一种把电信号转换成声音信号的电声器件。确切地说，扬声器的工作实际上是把一定范围内的音频电功率信号通过换能方式转变为失真小并具有足够声压级的可听声音。（1）分类（2）参数（3）使用与维护（1）分类①按工作原理不同分

——电动式扬声器纸盆式、号筒式和球顶形三种

——电磁式扬声器

——静电式扬声器

——压电式扬声器

②按振膜形状分

——锥形

——平板形

——球顶形

——带状形

——薄片形③按放声频率分

——低音扬声器

——中音扬声器

——高音扬声器

——全频带扬声器（2）参数额定功率额定阻抗频率特性谐波失真灵敏度指向性

额定功率（W）

扬声器的额定功率是指扬声器能长时间工作的输出功率，又称为不失真功率，它一般都标在扬声器后端的铭牌上。当扬声器工作于额定功率时，音圈不会产生过热或机械动过载等现象，发出的声音没有显示失真。额定功率是一种平均功率，而实际上扬声器工作在变功率状态，它随输入音频信号强弱而变化，在弱音乐及声音信号中，峰值脉冲信号会超过额定功率很多倍，由于持续时间较短而不会损坏扬声器，但有可能出现失真。因此，为保证在峰值脉冲出现时仍能获得很好的音质，扬声器需留足够的功率余量。一般扬声器的最大功率是额定功率的2-4倍。频率特性（Hz）

频率特性是衡量扬声器放音频带宽度的指标。高保真放音系统要求扬声器系统应能重放20Hz-20000Hz的人耳可听音域。由于用单只扬声器不易实现该音域，故目前高保真音箱系统采用高、中、低三种扬声器来实现全频带重放覆盖。此外，高保真扬声器的频率特性应尽量趋于平坦，否则会引入重放的频率失真。高保真放音系统要求扬声器在放音频率范围内频率特性不平坦度小于10dB。

额定阻抗扬声器的额定阻抗是指扬声器在额定状态下，施加在扬声器输入端的电压与流过扬声器的电流的比值。现在，扬声器的额定阻抗一般有2、4、8、16、32欧等几种。

谐波失真（TMD%）扬声器的失真有很多种，常见的有谐波失真（多由扬声器磁场不均匀以及振动系统的畸变而引起，常在低频时产生）、互调失真（因两种不同频率的信号同时加入扬声器，互相调制引起的音质劣化）和瞬态失真（因振动系统的惯性不能紧跟信号的变化而变化，从而引起信号失真）等。谐波失真是指重放时，增加了原信号中没有的谐波成份。扬声器的谐波失真来源于磁体磁场不均匀、振动膜的特性、音圈位移等非线性失真。目前，较好的扬声器的谐波失真指标不大于5%。

灵敏度（dB/W）

扬声器的灵敏度通常是指输入功率为1W的噪声电压时，在扬声器轴向正面1m处所测得的声压大小。灵敏度是衡量扬声器对音频信号中的细节能否巨细无遗地重放的指标。灵敏度越高，则扬声器对音频信号中所有细节均能作出响应。

指向性

扬声器对不同方向上的辐射是不同的，这种特性称为扬声器的指向性。它与扬声器的口径有关，口径大时指向性尖，口径小时指向性宽。指向性还与频率有关，一般而言，对250Hz以下的低频信号，没有明显的指向性。对1.5kHz以上的高频信号则有明显的指向性。（3）使用与维护要根据使用的场合和对声音的要求，结合各种扬声器的特点来选择扬声器。扬声器得到的功率不要超过它的额定功率，否则，将烧毁音圈或将音圈振散。电磁式和压电陶瓷式扬声器工作电压不要超过30V。

注意扬声器的阻抗应与输出线路配合。

在布置扬声器的时候，要做到声场均匀，可多点设置，使每一位听众得到几乎相同的声音响度，提高声音的清晰度；有好的方位感，扬声器安装时应高于地面3米以上，让听众能够“看”到扬声器，并尽量使水平方位的听觉（声源）一视觉（讲话者）要尽量一致，而且两只扬声器之间的距离也不能过大。电动号筒式扬声器，必须把音头套在号筒上后才能使用，否则很易损坏发音头。两个扬声器放在一起使用时，必须注意相位问题。如果是反相，声音将显著削弱。3.实验（1）概述

噪声的概念各种不同频率和声强的声音的杂乱无规律组合。使人烦躁、讨厌、不需要的声音。

噪声的物理量度（客观评价）用客观指定的物理量分析噪声辐射的大小、性质强度：用声压作为衡量其大小的尺度。频谱：

f—横坐标；p—纵坐标人的主观评价考虑到人的主观效应进行的评价响度L，单位为“宋”规定：40dB的1000Hz纯音的响度为1宋响度级：某一声音与1kHz的纯音一样响时，该纯音的声压级称为与其比较的噪声的响度级，单位：昉。响度级每增加10方，响度增加一倍（拟人感觉）。

--响度

--响度级右图与的对照关系90807060503216841（2）等响曲线不同频率的噪声与某一声压级的1kHz纯音相同。同响度级点的连线。1933年首测该曲线，1956年在自由场精测，被ISO采用。**人耳对2000~5000Hz最敏感；**人耳对<100Hz低频不敏感；**强噪声下，人耳难区分高低频。（3）计权网络（主观加权：等响曲线是计权网络的依据）A计权：模拟人耳40昉纯音响应，代表低声级的响度感觉，近人耳：dB（A）；B计权：模拟人耳70昉纯音响应，代表中声级的响度感觉，不常用：dB（B）；C计权：模拟人耳100昉纯音响应，代表高声级的响度感觉，近线性：dB（C）；D计权：等噪度曲线，航空应用。声级：通过计权网络读出的声压级，称为声级。如：A声级、B声级，计作SLA=45dB，或45dB（A）。声压级与声级的区别：*声压级是客观声音的大小。*声级是主观评价量，是考虑人耳的效应而加计权网络得到的。（4）声级计定义又叫噪声计，是一种按照一定的频率计权和时间计权测量声音的声压级和声级的仪器，它是声学测量中最常用的基本仪器。

分类

①按其精度将声级计分为：1级和2级。二种级别的声级计的各种性能指标具有同样的中心值，仅仅是容许误差不同，而且随着级别数字的增大，容许误差放宽。②按体积大小可分为台式声级计、便携式声级计和袖珍式声级计。③按其指示方式可分为模拟指示（电表、声级灯）和数字指示声级计

三、振动传感器1.分类2.压电加速度计3.激励器（振动台）4.实验1.分类（1）按被测量分加速度、速度、位移等；（2）按作用的方法分接触式和非接触式；（3）按工作原理分压阻式、压电式、电容式、磁电式、涡流式等；（4）按测量的方法分机械的、光学的和电气式的;

（1）分类根据结构不同分为：

——压缩式

——剪切式

——弯曲式2.压电加速度计（a）周边压缩式（b）中心压缩式（c）倒置式中心压缩式（d）环形剪切式（e）三角剪切式

s——弹簧M——质量块P——压电片C——导线B——基座根据准确度和用途不同分为：

标准加速度计测量加速度计（2）参数①灵敏度及其频率特性②频率范围①灵敏度

●主轴灵敏度：

指在沿主轴方向的某一恒定加速度作用下，其输出端产生的电压（或电荷）与该加速度之间的比值，它取决于压电片所用材料的压电特性及质量块的重量。●横向灵敏度：

加速度计对垂直于其主轴的平面内加速度的灵敏度。

灵敏度频率特性曲线压电加速度计的典型主轴灵敏度频率特性曲线

典型压电加速度计横向灵敏度曲线

②频率范围

频率上限：安装共振频率越高，工作频率范围越宽。加速度计的频率响应曲线有几个频率限，它们是：5%频率限：在此频率上实际加到加速度计基座上的振动与测量值之间的偏差为5%.以此精确度测量的最大振动频率近似为加速度计安装谐振频率的1/5。10%频率限：在此频率上实际加到加速度计基座上的振动与测量值之间的偏差为10%。以此精确度测量的最大振动频率近似为加速度计安装谐振频率的1/3。3dB频率限：在此频率上实际加到加速度计基座上的振动与测量值之间的偏差为3dB。以此精确度测量的最大振动频率近似为加速度计安装谐振频率的1/2。

频率下限：压电加速度计不可能达到真正的直流响应。压电元件只有在受到动态力的作用下才会产生电荷，实际频率下限决定于与加速度计相连的前置放大器。（3）前置放大器

压电加速度传感器可视为一个电