《电声学 测量传声器 第2部分：采用互易技术对实验室标准传声器声压校准的原级方法GBT 20441.2-2018》详细解读

《电声学测量传声器第2部分：采用互易技术对实验室标准传声器声压校准的原级方法GB/T20441.2-2018》详细解读contents目录1范围2规范性引用文件3术语和定义4参考环境条件5互易法声压校准的原理5.1原理概述5.1.1概述5.1.2三传声器法的原理概述contents目录5.1.3两传声器和一个辅助声源法的原理概述5.2基本表达式5.3插入电压技术5.4声转移阻抗的计算5.5热传导修正5.6毛细管修正5.7声压灵敏度的最终表达式5.7.1三传声器法5.7.2两传声器和一个辅助声源contents目录6影响声压灵敏度的因素6.1概述6.2极化电压6.3接地屏蔽参考结构6.4膜片表面的声压分布6.5与环境条件的关系6.5.1静压6.5.2温度6.5.3湿度contents目录6.5.4转换至参考环境条件7校准的不确定度分量7.1概述7.2电转移阻抗7.3声转移阻抗7.3.1概述7.3.2耦合腔7.3.3传声器参数7.4理论的不完善contents目录7.5声压灵敏度级的不确定度附录A(规范性附录)封闭腔中的热传导和粘滞损耗附录B(规范性附录)毛细管的声阻抗附录C(资料性附录)传声器校准用圆柱形耦合腔的示例附录D(资料性附录)环境对传声器灵敏度的影响附录E(资料性附录)测定传声器参数的方法contents目录附录F(资料性附录)潮湿空气的物理性质参考文献011范围本方法适用于实验室环境下，对标准传声器进行精确校准。校准过程涵盖了频率响应、灵敏度和指向性等关键参数的测量和评估。本部分规定了采用互易技术对实验室标准传声器进行声压校准的原级方法。1范围022规范性引用文件IEC61094-31995，声学和振动测量用传声器测量方法第3部分：采用互易技术对实验室标准传声器的自由场校准的原级方法IEC61672-12002，电声学-声音级别计-第1部分：规范2规范性引用文件033术语和定义3术语和定义传声器声压灵敏度的相位角这是指在给定频率下，传声器开路电压与均匀作用在膜片上的声压之间的相位差。相位角以度或弧度表示，是评估传声器性能的重要指标之一。实验室标准传声器满足GB/T20441.1-2010要求的传声器，用作声压测量的参考标准。这类传声器具有高度的准确性和稳定性，是进行声压校准的关键工具。互易传声器指的是线性无源的传声器，其特点是开路的正向和逆向转移阻抗的幅值相等。这是互易技术应用的基础，确保了传声器在声压校准过程中的准确性和可靠性。030201044参考环境条件校准实验室的温度应控制在一定范围内，通常建议在20°C至25°C之间，以确保传声器的稳定性和准确性。温度相对湿度应保持在适宜的水平，一般建议在40%至60%之间，以防止传声器受潮或过于干燥。湿度4参考环境条件055互易法声压校准的原理电声互易原理使用三个换能器，至少有一个是互易换能器，通过排列组合进行三次测量，利用转移电阻抗和互易常数来计算接收器的接收灵敏度。互易校准方法校准精度互易校准方法是一种精确的校准方法，被国际电工委员会（IEC）确定为标准方法。线性、无源、可逆的电声换能器（互易换能器）在用作接收器时的接收灵敏度和用作发射器的发送响应之比为一常数，称为互易常数。5互易法声压校准的原理065.1原理概述校准原理采用互易技术对实验室标准传声器进行声压校准，基于互易原理，即声源和接收器可以互换位置而不影响声场中的声压和声强分布。5.1原理概述校准方法通过测量传声器的开路电压和声压，计算出传声器的声压灵敏度，从而实现对传声器的校准。该方法具有高精度和高可靠性的特点。适用范围该方法适用于实验室标准传声器的校准，也可推广应用于其他类型的传声器校准中。通过该方法校准后的传声器，可为声学测量提供更为准确的数据支持。075.1.1概述为了规范测量传声器的校准方法，提高校准的准确性和可靠性，制定了本标准。标准制定的背景和目的5.1.1概述传声器作为声学测量中的重要元件，其准确性直接影响到测量结果的可靠性。因此，采用规范的校准方法对传声器进行校准至关重要。校准方法的重要性本标准是GB/T20441的第2部分，与第1部分共同构成了完整的测量传声器校准规范。同时，本标准也遵循了国际电工委员会（IEC）的相关标准。本标准与其他标准的关系085.1.2三传声器法的原理概述5.1.2三传声器法的原理概述三只传声器的设置在三传声器法中，需要使用三只传声器，其中两只被设置为互易传声器，另一只作为待校准的传声器。声学耦合与测量两只互易传声器通过耦合腔进行声学耦合，一只作为声源，另一只作为声接收器，测量其电转移阻抗。通过这种方式，可以精确地测量出声压与电压之间的关系。数据处理与校准通过测量得到的电转移阻抗，结合已知的声压值，可以对待校准传声器的声压灵敏度进行校准。这种方法具有高精度和可重复性，是实验室标准传声器校准的重要方法之一。095.1.3两传声器和一个辅助声源法的原理概述5.1.3两传声器和一个辅助声源法的原理概述声源与传声器的配置在此方法中，使用一个辅助声源和两个传声器。其中一个传声器作为参考传声器，另一个作为待校准传声器。辅助声源产生稳定的声信号，两个传声器同时接收该信号。声压灵敏度的测量通过测量两个传声器接收到的声压信号，可以计算出待校准传声器的声压灵敏度。这涉及到对信号的幅度和相位进行精确测量，并对比参考传声器的读数。修正因子的应用为了获得更准确的校准结果，需要考虑各种修正因子，如热传导修正、毛细管修正等。这些修正因子可以帮助调整测量值，以减少误差并提高校准精度。105.2基本表达式ΔLp=20log10(p1/p2)，其中p1和p2分别为两个不同位置的声压级。声压级差表达式ΔLs=20log10(M1/M2)，其中M1和M2分别为两个传声器的灵敏度。灵敏度级差表达式TL=Lp1-Lp2，其中Lp1为声源处的声压级，Lp2为接收处的声压级。传输损耗表达式5.2基本表达式010203115.3插入电压技术在传声器和前置放大器之间串联一个已知电压，以模拟声压信号。插入电压定义工作原理适用范围通过测量插入电压前后传声器的输出电压变化，来校准传声器的灵敏度。适用于校准各种类型的实验室标准传声器。5.3插入电压技术125.4声转移阻抗的计算计算方法声转移阻抗是通过测量传声器在作为声源和接收器时的电压和电流关系来计算的。具体计算过程涉及复杂的物理和数学公式，需要专业的电声知识和技术。重要性声转移阻抗是评估传声器性能的重要指标，它反映了传声器对声音信号的转换效率和质量。准确的声转移阻抗计算对于确保传声器的准确性和可靠性至关重要。影响因素声转移阻抗的计算受到多种因素的影响，包括传声器的结构、材料、环境温度和湿度等。因此，在进行声转移阻抗计算时，需要考虑这些因素并进行相应的修正，以确保计算结果的准确性。5.4声转移阻抗的计算135.5热传导修正5.5热传导修正修正效果通过热传导修正，可以减小或消除温度差异对校准结果的影响，提高传声器校准的精度和可靠性。这对于确保传声器的测量准确性和一致性具有重要意义。修正方法根据传声器和校准环境的温差，以及传声器的材料和结构特性，采用适当的修正公式或方法，对校准结果进行修正。修正过程需遵循相关标准和规范，确保修正的准确性和可靠性。修正原因在传声器校准过程中，由于传声器膜片和周围环境之间的温度差异，可能会导致热传导效应，进而对校准结果产生影响。因此，需要进行热传导修正以提高校准精度。145.6毛细管修正考虑传声器内部的热传导效应考虑气体通过毛细管时的粘滞阻力5.6毛细管修正考虑毛细管内的声压损失155.7声压灵敏度的最终表达式声压灵敏度的表达式最终，声压灵敏度可以表达为一个与频率有关的函数，通常由传声器的开路输出电压、声压以及校准系数等参数共同决定。自由场电压灵敏度在自由场中，传声器的开路输出电压与在传声器膜片上产生的声压之比即为自由场电压灵敏度。声压灵敏度的校准校准过程中，需要使用一个已知声压级的声源，通过比较传声器的输出电压与标准传声器的输出电压，来确定被校准传声器的声压灵敏度。5.7声压灵敏度的最终表达式165.7.1三传声器法5.7.1三传声器法方法原理使用三只传声器进行校准，其中两只为互易传声器，通过特定的测量步骤和计算公式，得出传声器的声压灵敏度。01测量步骤首先，将两只互易传声器放置在声场中，并测量其开路电压和声压；接着，将待校准传声器放置在相同位置，并测量其开路电压；最后，通过比较和计算，得出待校准传声器的声压灵敏度。02优点与局限性三传声器法具有较高的精度和可靠性，适用于各种类型的传声器校准。然而，该方法需要三只传声器，且对测量环境和操作要求较高。03175.7.2两传声器和一个辅助声源要点三校准原理采用两传声器和一个辅助声源进行声压校准，其中一个传声器作为声源，另一个作为接收器，通过测量电信号和声信号之间的关系，确定传声器的声压灵敏度。校准步骤首先，将两个传声器放置在相同的声场中，并确保它们之间的距离满足一定的条件；然后，通过辅助声源产生一个已知的声压级，并记录两个传声器的输出电压；最后，根据输出电压和声压级之间的关系，计算出传声器的声压灵敏度。注意事项在进行校准时，需要确保两个传声器的性能相近，以避免因传声器性能差异引入的误差；同时，还需要考虑环境因素对校准结果的影响，如温度、湿度等。此外，校准过程中应避免外界噪声的干扰，以保证校准结果的准确性。5.7.2两传声器和一个辅助声源010203186影响声压灵敏度的因素6影响声压灵敏度的因素01声波在传播过程中遇到障碍物会发生散射，导致实际作用于传声器膜片上的声压发生变化，从而影响声压灵敏度。传声器的类型、结构、尺寸和材料等因素均会影响其声压灵敏度。不同类型的传声器对声波的响应不同，因此灵敏度也会有所不同。环境温度、湿度和压力等环境因素也会对传声器的声压灵敏度产生影响。例如，温度和湿度的变化可能导致传声器材料的性能发生变化，进而影响灵敏度。0203声波散射传声器特性环境因素196.1概述标准内容和目的GB/T20441.2-2018标准规定了采用互易技术对实验室标准传声器进行声压校准的原级方法，旨在提高测量准确性和可靠性。适用范围本标准适用于实验室标准传声器的声压校准，特别适用于需要高精度声学测量的场合。与其他标准的关联本标准与其他相关声学测量标准相互配合，共同构成了完整的声学测量体系。6.1概述206.2极化电压01定义极化电压是指在测量传声器的工作过程中，为保持传声器的灵敏度稳定而施加的直流电压。作用极化电压能够确保测量传声器的正常工作，并保持其灵敏度的稳定性，从而获得准确的测量结果。设定原则极化电压的设定应根据具体的传声器型号和规格进行，确保在测量过程中不会因电压过高或过低而影响传声器的性能和测量结果的准确性。6.2极化电压0203216.3接地屏蔽参考结构接地屏蔽应能有效减少电磁干扰，提高信噪比，确保测量传声器的准确性。确保屏蔽效能接地屏蔽设计需符合相关电气安全标准，防止人员触电和设备损坏。保障安全接地屏蔽结构应简洁明了，方便日常检查和维护。便于维护6.3接地屏蔽参考结构226.4膜片表面的声压分布声压分布的不均匀性由于传声器膜片的尺寸和形状，以及声波在膜片上的入射角度和波长等因素的影响，膜片表面的声压分布可能存在不均匀性。对校准结果的影响膜片表面声压分布的不均匀性会导致传声器输出的电压信号与真实的声压之间存在偏差，从而影响校准结果的准确性。改善声压分布的方法为了减小膜片表面声压分布不均匀性的影响，可以采取一些措施，如使用合适的声学耦合器、调整传声器的位置和角度等，以优化声压的分布情况。6.4膜片表面的声压分布010203236.5与环境条件的关系高温可能导致传声器内部的电子元件性能下降。温度变化还可能影响传声器的频率响应。随着温度的升高，传声器的灵敏度可能会有所变化。6.5与环境条件的关系246.5.1静压6.5.1静压定义静压是指传声器在静态气体或液体中所受到的压力，与声音波动无关。测量方法通常采用压力传感器或压力计来测量传声器所处环境的静压值，以帕斯卡（Pa）为单位。影响因素静压的变化会影响传声器的灵敏度和频率响应，因此在进行传声器校准或测量时，需要对静压进行控制并记录。同时，高静压环境可能会对传声器造成物理损伤，因此需要注意保护传声器。256.5.2温度在校准传声器时，要确保环境温度的稳定性，以减少温度对校准结果的影响。校准环境要求随着温度的升高，空气的声速和密度会发生变化，从而影响传声器的灵敏度和频响特性。温度对声压级的影响在校准过程中，需要对环境温度进行持续监控和记录，以确保校准结果的准确性和可靠性。温度监控与记录6.5.2温度266.5.3湿度相对湿度对传声器的性能有一定影响，过高或过低的湿度都可能导致传声器性能下降。相对湿度影响在校准过程中，应对实验室内的湿度进行控制，以确保校准结果的准确性。湿度控制校准过程中应记录湿度数据，以便后续分析和比对。湿度记录6.5.3湿度276.5.4转换至参考环境条件6.5.4转换至参考环境条件转换重要性保证测量结果的准确性和可比性，避免因环境条件不同而产生的误差。转换方法根据测量结果和实验室环境条件，利用相关公式或图表将测量值转换至参考环境条件下的值。参考环境条件定义温度（23±5）℃，相对湿度（30~70）%，大气压力（86~106）kPa。287校准的不确定度分量7校准的不确定度分量校准过程中使用的测量设备本身存在一定的精度限制，这会对校准结果产生不确定度。为提高校准的准确性，应选择高精度的测量设备，并定期进行检查和维护。测量设备的精度限制环境因素如温度、湿度、气压等的变化，都可能对校准结果产生影响。因此，在校准过程中应严格控制环境因素，以确保校准结果的准确性和可靠性。环境因素的影响校准过程中，操作人员的技能水平和操作经验对校准结果具有重要影响。人为操作不当可能导致校准结果的偏差。为提高校准的准确性，应对操作人员进行专业培训，并确保其具备相应的操作技能和经验。人为操作误差010203297.1概述7.1概述010203标准范围本部分规定了采用互易技术对实验室标准传声器进行声压校准的原级方法。校准目的确保传声器的准确性和可靠性，满足声压测量的精度要求。适用对象本方法适用于实验室标准传声器的校准，为相关行业提供技术参考。307.2电转移阻抗7.2电转移阻抗电转移阻抗是传声器性能的关键参数，它描述了传声器在接收声波时电能与声能之间的转换效率。准确测量电转移阻抗对于确保传声器的准确性和可靠性至关重要。定义与重要性根据GB/T20441.2-2018标准，电转移阻抗的测量可以采用互易技术进行。这种方法基于互易原理，即一个线性、无源、可逆的声学系统，在正向和逆向传递时，其传递函数是相等的。通过测量传声器在不同频率下的开路电压和短路电流，可以计算出电转移阻抗。测量方法在测量电转移阻抗时，需要考虑多种因素的影响，如温度、湿度、静压等环境条件。此外，传声器的内部结构和材料特性也会对电转移阻抗产生影响。为了确保测量的准确性，需要对这些影响因素进行修正。标准中提供了相关的修正方法和公式，以便更准确地确定传声器的电转移阻抗。影响因素与修正317.3声转移阻抗7.3声转移阻抗声转移阻抗是描述传声器性能的关键参数，它反映了传声器将声音转换为电信号的能力。在传声器的校准和测量中，准确确定声转移阻抗至关重要。根据GB/T20441.2-2018标准，声转移阻抗的测量可以采用互易技术。这种方法基于互易原理，即一个线性、无源、可逆的声学系统，其正向和逆向的转移阻抗是相等的。通过测量传声器作为声源和接收器时的电信号，可以计算出其声转移阻抗。在实际测量中，声转移阻抗可能受到多种因素的影响，如传声器的非线性、环境温度和湿度等。因此，在进行测量时需要对这些影响因素进行修正，以保证测量结果的准确性。标准中提供了相关的修正方法和公式，以便在实际应用中进行调整。定义与重要性测量方法影响因素及修正327.3.1概述7.3.1概述标准内容简介本部分规定了采用互易技术对实验室标准传声器进行声压校准的原级方法，适用于各种类型和规格的测量传声器。校准方法的重要性与其他标准的关联传声器的准确性对于声学测量和音频设备的性能至关重要，因此采用标准的校准方法是确保测量准确性的关键。该标准与其他相关电声标准和国际电工委员会(IEC)的相关标准保持一致，确保了校准方法的通用性和可比性。337.3.2耦合腔设计要求耦合腔是互易校准中的关键部件，其设计要求包括具有良好的隔声性能、适当的内部尺寸以及便于安装和拆卸等。材料选择结构特点7.3.2耦合腔耦合腔的材料应选择具有高隔声性能、低吸声系数的材料，以减少声音在腔体内的衰减和失真。耦合腔通常采用双层结构，内层为吸声材料，外层为隔声材料。同时，为了保证传声器的准确安装，腔体内还应设置合适的安装孔和固定装置。347.3.3传声器参数7.3.3传声器参数指向性传声器的指向性描述了其对来自不同方向的声音的响应。全指向性传声器对所有方向的声音都有相同的灵敏度，而心形指向性传声器则主要对前方的声音敏感，具有抑制后方和侧方声音干扰的能力。频率响应传声器的频率响应描述了其在不同频率下的灵敏度变化。一个平坦的频率响应意味着传声器在所有频率上都具有相似的灵敏度，这对于准确测量声音至关重要。灵敏度传声器的灵敏度是指其对声音的响应能力，通常以分贝为单位表示。高灵敏度传声器能够更准确地捕捉声音信号，提高测量精度。357.4理论的不完善边界条件处理在声场模拟和计算中，边界条件的处理对结果有很大影响。不同的边界条件可能会导致不同的计算结果，因此在实际应用中需要谨慎选择和处理边界条件。模型简化假设在实际操作中，为了简化计算和分析，常常需要对传声器的物理模型进行一定程度的简化和假设。这些假设可能与实际情况存在一定差异，从而导致理论模型的不完善。非线性效应在传声器的工作过程中，可能会存在一些非线性效应，如膜片的振动非线性、空气的压缩性等。这些非线性效应在理论模型中可能未被充分考虑，从而影响校准结果的准确性。7.4理论的不完善367.5声压灵敏度级的不确定度测量设备的精度限制测量设备的精度和稳定性会直接影响声压灵敏度级的测量不确定度。环境因素的影响如温度、湿度等环境因素的变化可能会对测量结果产生影响，进而增加不确定度。测量方法的选择不同的测量方法可能会引入不同的误差，从而导致不确定度的增加。7.5声压灵敏度级的不确定度37附录A(规范性附录)封闭腔中的热传导和粘滞损耗附录A(规范性附录)封闭腔中的热传导和粘滞损耗热传导原理热量总是从高温区域向低温区域传递，封闭腔中的热传导损耗主要由腔体壁面的温差引起。影响因素腔体材料的导热系数、壁厚、环境温度以及腔内媒质的温度梯度等均会影响热传导损耗的大小。减少损耗方法采用导热系数低的材料制作腔体，或者增加腔体的壁厚，可以降低热传导损