基于双谐振声波幅相控制的高声强级校准

杨晓伟 闫 磊 朱 刚 刘 鑫 白 天

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

2 高声强级校准技术现状

声强测量仪高声强级校准在国内外一直是难点[4]，主要是在高声强级条件下如何精确控制两个传声器间的声压级和相位差，使二者在一个较宽的动态范围内的非线性满足校准要求，目前国内外普遍采用的高声强校准方法主要有活塞发生器法、消声室法和行波管法，声强级通常不超过124dB。

活塞发生器法是常用的方法，具有使用方便，设备简单的特点。B&K公司 3541型声强校准仪最具代表性，当活塞发生器和耦合器对接时，平面声波在上下两腔室的自由传播无反射，并有约25°的相位差，两个腔室中的声压级相同而相位不同。当声强探头的两只传声器分别位于两个不同腔室中就形成了一个自由场中传播的平面声波的声强，其声强级为118dB、251Hz[1]。

在消声室校准是当前采用的最主要的方法，将声强探头放在消声室(自由声场)中，声强探头轴向与声源传播方向一致，用标准传声器监测声压级，声源产生的声波为平面波。该校准由标准传声器可溯源至空气声压基准，有较高的准确度，主要用于声强测量仪的频率特性校准，最高声强级为100dB[2]。

行波管法采用一个空心圆管，一端为声源，另一端是安装多个毛细管，并为弯弧型，这样该端面完全吸声没有反射，声强探头置于行波管内，声强探头轴向与声源传播方向一致。通过插入一根移动距离可测的装有标准传声器的探头，用于测量声压。当声源工作时，声强探头测得的声压和相位差已知，经计算得出声强级。该方法最大声强级为124dB，频率范围为(100～1000)Hz[4]。

3 基于双谐振声波幅相控制的高声强级校准

3.1 校准原理

如上所述，目前的声强校准方法无法实现高声强校准，须使用新的校准方法才能实现高声强校准。从声强测量仪的结构特点和测量参数看，声强测量仪是由两个相位一致并相距固定间隔的传声器组成，两个传声器同时测量声压，如图1所示。声强分析计算软件对声压梯度积分及必要的计算得出声强。其计算方法如式(1)。

图 1 声强测量仪示意图Fig.1 A diagram of sound intensity probe

(1)

当Pa、Pb为正弦信号时，式(1)可简化为

(2)

式中：Pa、Pb——声压信号的有效值；ω、φ——分别为信号间的角频率和相位差,rad/s,(°)；Δr、ρ0——分别为传声器间距和空气密度, m,kg/m3。

宁夏十年九旱，是我国极度干旱缺水的地区之一。多年平均降水量289 mm，蒸发量1 250 mm。当地水资源量少质差、时空分布不均。全区水资源总量11.63亿m3，其中地表水资源量9.49亿m3。经济社会发展主要依赖于国家限量分配的黄河水，全区水资源可利用量41.5亿m3，人均占有量687m3，不足全国平均值的1/3。按自然地理特点、经济状况，全区大体分为北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区。

式(2)表明，声强级与声压级的平方成正比，声压级的增大可使声强级增大，因此高声压是产生高声强的关键因素之一。此外，声强测量仪的两个传声器测得的声压信号间须有一个相位差，形成声压梯度，使声压梯度信号积分不为零，这两方面是复现高声强级的基础，缺一不可。

目前测试传声器高声压级校准采用的高压谐振耦合管可产生声压级达171dB，失真度不超过0.5%。基本原理是选择两个大小不同管子组合在一起可产生与两个管子原有谐振频率不同的新谐振频率(500Hz)，这个谐振频率与单独两个管子的固有谐波不重合，从而可在这个频率上形成低失真高声压的效果[3]。高声压级标准传声器可选择B&K公司4941型传声器，该传声器在170dB声压级下非线性仅为0.1dB。选取多支4941型传声器进行相位一致性校准，筛选出在使用频率500Hz处相位差小于0.1°的两只传声器作为高声压级标准，声强可溯源于这对传声器。

借鉴上述有关高声压源和高声压标准传声器的技术特点、性能和参数，在充分了解、比较当前国内外先进的声强校准技术的基础上，针对校准高声强级动态范围宽的特点，创新的采用双谐振声波幅相控制的新方法，可实现高声强级达150dB以上的校准。

双谐振声波幅相控制法是指采用两个基于声波谐振原理的低失真度高声压源和两只高声压标准传声器反馈控制两路声压信号的幅值及相位差来模拟平面行波，从而可以精确复现高声强，原理结构示意图如图2所示。

图2 双谐振声波幅相控制原理结构示意图Fig.2 Schematic diagram of amplitude-phase control for dual resonance sound waves

3.2 校准装置

根据双谐振声波幅相控制法构建的高声强级校准系统如图3所示。

图3 高声强级校准系统框图Fig.3 Frame diagram of high sound intensity lever calibration system

声强控制器由工控机和NI-4462动态数据采集卡(含两路可控幅相的输出信号源)组成，通过动态信号数据采集卡完成标准声压信号采集与信号输出任务，两只标准传声器与声强探头两只传声器面“面对面”对称安装，测量放大器用于连接标准传声器并调节标准声压信号放大倍数，以保持最佳信噪比。

由计算机控制信号源输出两路同步信号(频率为500Hz)，经功率放大器驱动两个独立的扬声器，在高声压发生装置A、B内产生谐振声波，两只高声压标准传声器采集声压信号，经测量放大器反馈至声强控制器(计算机控制系统)，计算两路信号的幅值比和相位差，计算结果更改信号源输出电压、频率和相位，实现两路谐振声波的幅值和相位差与目标值一致，由两路标准传声器输出信号计算出的声强级为本装置的标准声强级，与声强测量仪测量的声强级比较，见公式(3)。

ΔI=Im-Is

(3)

式中：Im——声强测量仪声强级示值， dB；Is——本装置复现的标准声强级， dB；ΔI——声强测量仪声强级示值偏差， dB。

校准软件为全自动化设计，可编辑或载入自动校准流程控制文件，实时显示校准流程进度，后台实时采集动态声信号和输出控制信号，前面板图表实时显示每个测量点的采集计算分析结果，如：频率、声强级、失真度、级线性等，设置面板中有：通道设置、参数控制设置、程控适配器通讯设置、滤波器设置、标准传声器灵敏度设置、以及传声器适配器的增益挡和滤波器设置、报告生成设置等功能。软件流程如图4所示。

图4 全自动软件流程图Fig.4 Flowchart of automatic software

4 校准实例与不确定度评估

选定B&K公司3599型声强测量仪为校准对象，其声强级测量上限为150dB,目前国内外未有这类测量仪的高声强级校准报告。采用本装置首次对该型测量仪进行声强级范围(100～150)dB 的校准，校准结果见表1。

表1声强级幅值校准数据(500Hz)

Tab.1Calibrationresultsofsoundintensitylevel(dB)

随着声强级增加声强测量仪的幅值误差也逐渐增大，这是因为把高声压信号施加到两个传声器通道时，传声器膜片会产生运动失真，从而导致传声器输出(幅值和相位)的非线性。声强测量仪正是通过测量两传声器的输出，进行积分和必要的计算得出声强，所以当声强级增大到一定值时，随着声强级的增加，误差将明显增大。

表2 不确定度来源表Tab.2 Uncertainty components (dB)

本装置采用双谐振声波幅相控制法属首次使用，国内外没有类似的校准装置，没有成熟的溯源方法，为了准确掌握高声强级的校准不确定度，采用现有的量值的溯源手段，对本装置的关键参数进行不确定度评估，对高声强而言，声强探头的传声器间的声压相位差和声压级是主要的不确定度来源，另外大气压、环境温度和湿度也是声强测量影响量，在声强级为150dB时，有关的不确定度来源见表2[5]。

上述不确定度分量各自独立，互不相关，扩展不确定度公式为

校准实例表明了校准装置高声强级的校准不确定度选定0.5dB(k=2)是合理可信的。

5 结束语

双谐振声波幅相控制法选定两个基于高压谐振耦合管原理的高声压源；一对经过筛选的、相位差很小的4941型高声压标准传声器，利用其高性能、高可靠的技术指标，根据高声强校准的要求，通过精心设计构建的高声强校准装置，具有溯源路径清晰、实施性好和校准结果可靠的特点，成功实现了声强测量仪的高声强级(100dB～150dB)校准。最新查新结果表明：国内外没有双谐振声波幅相控制法及高声强级(大于130dB)校准的相关报道。