第二章 声学测量换能器 - 哈尔滨工程大学水声工程学院声学

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（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
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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
（1）分级： 标准声源与测量用声源两级。 （2）参数： ① 发射换能器发送响应 ② 输入电功率、发射声功率和电声效率 ③ 指向性、阻抗
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发射换能器发送响应：
分为三类：
• 发送电压响应 • 发送电流响应 • 发送功率响应 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。
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。最近 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： 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水声换能器的阻抗 ④动态范围
水听器接收灵敏度 • 水听器自由场电压灵敏度：
1.指向性响应图
2.指向性指数
3.指向性因数
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指向性响应图
R
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。 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.
静电式：
——压电式传声器 ——电容式传声器
*驻极体传声器
静电传声器是以电 场变化为原理的传 声器，常见的有电 容式和压电式两种
③按与音响设备连接方式分 有线传声器 无线传声器
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电动式传声器
●带式传声器：
振动系统是一条悬挂在 强磁场中的波状合金箔。 它的频率响应极好，特 别是瞬态特性好，音色 柔和自然，指向性为双 向，但输出电平极低， 而且防风耐震性差，易 损坏，不宜在室外使用。 目前除特殊用途外，已 很少使用。
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。
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。
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
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声压灵敏度与声场灵敏度的区别： •两者的频响曲线不同，特别在高频端。 •使用场合不同 平面自由场灵敏度用于消声室等自由场环境下测试， 而扩散声场灵敏度则使用于扩散场中，声压灵敏度用 于仿真耳等腔室内测量使用。 •校准方法不同
●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
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有效频率范围：某一传声器它的实际频响曲线与典型频
响曲线相比，偏差在允许的范围内的最大频率间隔。对于
每一类型的传声器，生产厂家都要给出一个典型的频率响
应曲线的范围，并且为了保证其产品一致性，还需要规定 实际频响曲线与典型频响曲线允许的误差。
自由声场灵敏度在消声室采用互易法校准，声压灵敏 度在耦合腔中采用互易法校准。
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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。 ●传声器指向性图：在某一频率下的灵敏度随声波入射 角的变化，用极坐标表示所得的曲线。 ●传声器的指向性因数：传声器某一频率的正向自由场 灵敏度的平方与其同频率的扩散场灵敏度平方之比。 用对数表示则为传声器的指向性指数 。
• ②国外：
• ●8100系列
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（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Fra Baidu bibliotek身 的电容值。所以选用低分布电容电缆。
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2、水声发射换能器
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工作温度范围内，灵敏度变化应小于0.04 dB/ 0C。 在0~400C工作温度范围内，灵敏度变化应小于0.05 dB/ 0C。
• 一级：不低于-205dB(0dB re 1v /μpa)
• 二级：不低于-210dB（0dB re 1v/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。
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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。
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• 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。
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。
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动态范围 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
引起水听器过载的作用声压级 水听器的等效噪声压
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
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(3)GB/T4128-1995
指向性 自由场灵 敏度频率 响应
灵敏度
一、二级标准水听器声学 性能指标要求
灵敏度校准 及其准确度
稳定性 动态范围
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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）：
●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。
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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。
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。
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（4）国内外典型水听器介绍
• ①国内：
• ●RHS、RHC和RHA系列
一、测量用水声换能器 二、测量用电声换能器
三、测振传感器—加速度计
一、测量用水声换能器
1、水听器
2、水声发射换能器
1、水听器
（1）分类 （2）参数 （3） GB/T4128-1995 （4）其他技术要求 （5）国内外典型水听器介绍
(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。
2 0,0 I0 pd R 2 I p d ,
DI 10 lg R
指向性指数 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
水声换能器的阻抗
指在它的电路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
指向性响应图——波束宽度和旁瓣级
2 • 波束宽度：主瓣或主声束两侧的两个方向之间的夹角。
10 dB
2 6dB
2 3dB
指向性指数 指向性因数
DI
R
*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。
*对于发射换能器，其发射指向性因数和发射指向性指数是指：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。
• 静压稳定性：
0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.3 dB/MPa。在 0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.4 dB/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。
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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。
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二、测量用电声换能器
• 传声器 • 扬声器
动圈式传声器：
以悬浮于磁路系统中 的音圈切割磁力线而 产生电压输出。它的 结构牢固，性能稳定， 电声性能良好，能承 受强音而不失真，价 格较便宜，是一种耐 用的传声器，广泛应 用于一般音响系统。
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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。
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1、传声器
（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。
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（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
电动传声器是以电磁 感应为原理，以在磁 场中运动的导体上获 得输出电压的传声器， 常见的有动圈式和带 式两种
eOC MP , 单位 V Pa P
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：
eOC MP , 单位 V Pa Pp
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
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水听器的指向性