传声器自由场互易校准中电转移阻抗的测量与处理

王炳惺 李学斌 何龙标

(1.北京化工大学，北京 100029；2.中国计量科学研究院，北京 100013)

0 引言

空气声声压量值的复现和传递通过实验室标准(Laboratory Standard，LS)传声器的声压/声场灵敏度校准实现。自由场中使用时，根据尺寸的不同分为LS1F和LS2F传声器[1]。由于自由场互易过程中信噪比较低，增加了自由场互易校准的困难，以LS2F传声器为例，在8V的激励电压下，1kHz时输出电压为0.35μV，2kHz时输出电压为1.4μV，LS2F传声器固有噪声典型值为1.5μV的宽带噪声，测试信号被淹没在宽带噪声信号中。在已有的传声器电转移阻抗测量装置中，采用的是离散式的模拟仪器，效率较低，同时直接测量声信号的方式难以去除干扰信号的影响[2]。为了提高校准工作效率，扩展其高频范围，控制自由场互易校准的不确定度，本文基于VB和MATLAB软件开发平台，依托自由场互易原理，设计了一套传声器电转移阻抗的测量和数据处理系统，实现了PULSE系统和PC机的实时通信，利用傅里叶逆变换(IFFT)和时间加窗技术避免了电串扰、驻波和反射波等信号的影响，得到信噪比高的电转移阻抗，并实现传声器自由场灵敏度级计算的自动化。

1 互易校准原理

互易法校准是指利用可逆、无源和线性传感器的输出和输入存在着互换的关系，求得传感器灵敏度值的绝对法校准。对电容传声器，其开路的正向和逆向转移阻抗在幅值上是相等的，在自由场条件下将两只互易传声器组成一个声学系统，一只作为声源，而另一只作为声接收器，测量电转移阻抗。当系统声转移阻抗已知时，两只耦合传声器自由场灵敏度的乘积就可以确定，等于电转移阻抗与声转移阻抗的比值。其中电转移阻抗为接收传声器的电压与发射传声器的激励电流的比值，需要针对每个频率进行逐一测量；声转移阻抗为接收传声器膜片上的声压与发射传声器短路体积速度之比，可根据其物理意义由空气介质特性与传声器之间距离等参数进行计算。传声器1、2、3顺次配对，这样得到3个相互独立的乘积，就可以得到三只传声器中每一只传声器的自由场灵敏度。

2 电转移阻抗的测量和数据处理系统设计

电转移阻抗的测量系统包括以下组成部分：1)BK互易校准仪5998和传声器发射单元；2)适调放大器，一般设置40dB增益，20 Hz高通滤波，具有20dB增益和15MΩ输入阻抗的前置放大器；3)100kHz带宽的PULSE分析仪3560C，具备SSR(稳态响应分析)功能；4)消声箱，用于提供自由声场，尺寸为2500mm×2500mm×3000mm；5) 传声器定位系统，用于固定传声器声轴，并能调节两传声器的声中心距离，采用程序控制步进电机的正反转实现距离调节；6) 环境参数测量部分，包括气压、温度和湿度等参数。图1为传声器电转移阻抗的测量系统框图。

图1 传声器电转移阻抗的测量系统框图

2.1 电转移阻抗的测量

电转移阻抗为耦合系统中输出电压与激励电流的比值，激励电流是通过测量传声器发射单元中串联的4.7pf电容两端的电压进行计算获得。接收传声器的输出电压与发射单元中串联电容的电压之比简称为电压比，电转移阻抗的测量可以等效为电压比的测量，实现电转移阻抗的自动测量，首先实现PULSE系统和PC机的实时通信，其次完成功能模块的开发，最后建立一个可视化的界面，使测量步骤简单化并易于操作。VB是一种典型的自动化控制器，在开发图形用户界面上有非常良好的表现。因此，可以采用VB作为控制器来启动和控制PULSE，实现PULSE系统和PC机的实时通信。

测量程序中涉及诸多参数的设置，包括SSR频率步长设置，频率上限和下限的选择，激励电压的大小等。传声器命名规则一般为型号.序列号。频率步长可以设为120Hz、100Hz等。频率步长主要与消声箱的尺寸有关，同样与整个测量时间有关。频率上限和下限的选择有利于优化测量过程，下限和上限截止频率取决于传声器的类型。LS1传声器的合理频率范围为1200Hz～31kHz，LS2传声器的频率范围为3～51kHz，同样可以从1kHz开始测量，只是低频时的低信噪比使得测量时间增加。重复测量次数、最大时间和允差带是SSR模式中使用的参数。最大时间设定了一个平均取值的时间上限，用于判断标准偏差是否在设定允差带内。若对于一个快速测试，重复测量次数设1，允差设为0.02dB。激励电压用于驱动发射传声器，随着频率的增加应降低激励电压，用以抑制高频时的失真。LS1传声器的激励电压一般不高于4V，LS2传声器的激励电压一般不高于9 V。文件名：仅需输入文件名部分，每个传声器组合将会生成单独的电转移阻抗测量文件。

图2是传声器电转移阻抗测量软件设计流程图。首先定义文件的初始路径，读取文件中的原始数据，对信号进行加权并且保存，同时对GPIB总线进行初始化，然后启动PULSE系统，设置系统变量，并设置SSR分析仪，对传声器提供极化电压，同时设置适调放大器的参数。电转移阻抗测量分为两步，声信号的测量和插入电压的测量。最后读取环境参数，计算电压比，并把结果保存在outdate文件中，关闭应用程序，测量结束。图3是测量软件参数设置界面。

图2 测量软件设计流程图

图3 测量软件参数设置界面

2.2 数据处理

测量所得的电转移阻抗频率响应包含了直达波、反射波、驻波以及电串扰等信号。可以通过傅里叶逆变换获得脉冲响应，两个传声器之间的直达波可以从时间选择窗口的脉冲响应中分离出来，然后再通过傅里叶变换(FFT)获得比较理想的频率响应。图4是变换过程的图形描述。

电串扰和背景噪声在t=0时应该存在，因为本质上串扰是电信号，因此比声波传播的更快，应该发生在非常接近于0的瞬间，背景噪声同样存在于任何时刻。根据消声箱的尺寸以及传声器支撑结构的尺寸，确定时间选择窗口的大小，用以去除干扰信号的影响，再对所得的主脉冲信号进行频谱分析，得到频率拓展的频域信号。由图5可知，时间选择窗可以有效去除反射波、驻波、电串扰等干扰信号。

经过测量软件测得的电压比，因为包含了反射波、驻波、电串扰等干扰因素，所以测得的数值是不理想的。在图6中可以明显看出波形是不平滑的，运行用了数据处理软件后，可以观察到电压比数据曲线变得平滑。

数据处理部分主要是基于MATLAB软件平台，MATLAB语法结构比较简明，在数据分析和数据计算方面非常高效，但是在用户界面开发方面能力较差[3]。本模块主要是通过VB调用MATLAB来实现图形和界面的结合[4]。图7是传声器电转移阻抗数据处理软件设计流程图。

图4 时间选择技术对反射波形的去除

图5 频域-时域信号变换与时间选窗

图6 测量所得电压比经过数据处理软件后

图7 数据处理软件设计流程图

3 处理前后的灵敏度结果对照

根据互易法原理，传声器的自由场灵敏度可用下式表示：

式中：d为两传声器声中心间距；ρ为相应条件下空气密度；R12、R31、R23分别为传声器两两之间的电转移阻抗；ΔA为空气衰减系数，即8.686a。除电转移阻抗外，各量值均可以进行直接测量和计算[5]。

数据计算模块同样通过VB调用MATLAB来实现图形和界面的结合。图8为数据计算模块的软件操作界面，在图框中生成频率和灵敏度，实现了灵敏度计算自动化。

图8 数据计算模块的软件操作界面软件

以温度23℃，湿度50%，大气压强101kPa，传声器间距240mm为例，传声器4180.2660987通过时间加窗处理后的自由场灵敏度结果和直接计算的自由场灵敏度结果对比如图9所示。

图9 4180.2660987自由场灵敏度的不同方法计算结果

由图9可见，在传声器间距240mm并且频率范围低于40kHz时，与采用时间加窗技术去除干扰信号影响的结果对照，两者相差约0.3dB；但是在频率继续增高时波长变小，更容易发生驻波现象，与直接采用IEC推荐的方法比较，产生了接近2.0dB的偏差。因此，采用时间加窗技术去除干扰信号对于传声器自由场校准，可以减小约2.0dB的偏差。

4 小结

基于VB和MATLAB软件平台，开发了传声器电转移阻抗的测量和数据处理系统。测量软件能够实现PULSE系统和PC机的实时通信，完成电转移阻抗的快速、准确测量；利用傅里叶逆变换和时间加窗技术有效去除了驻波、电串扰、反射波等干扰信号，实现对传声器电转移阻抗有效信号的提取， 在高频段可以减小2.0dB的偏差。最终实现传声器自由场灵敏度的互易校准。

[1] IEC 61094-1,Measurement microphones Part 1：Specifications for laboratory standard microphones[S]

[2] 汪汉春,邱建华.Φ12.7mm标准传声器自由场互易校准装置[J].计量学报，1997，18(3):182-186

[3] 伯晓晨,李涛,刘路，等.MATLAB 工具箱应用指南———信息工程篇[M].北京：机械工业出版社，2000

[4] 欧金成,林德杰,彭备战.通过VB调用MATLAB实现图形和界面的结合[J];计算机工程与设计,2002(12)

[5] IEC 61094-3 1995 Measurement microphones Part 3：Primary method for free-field calibration of laboratory standard microphones by the reciprocity technique[s]