第二章測量用換能器

一、水聲換能器二、電聲換能器三、振動傳感器第2章測量換能器一、水聲換能器1.水聽器2.水聲發(fā)射換能器3.實驗

1.水聽器（1）分類（2）參數(shù)（3）GB/T4128-1995（4）國內外典型水聽器介紹（5）使用與維護

(1)分類

·

根據(jù)其用途和校準的準確度

·

根據(jù)其使用材料

根據(jù)其用途和校準的準確度分為兩級：

A.一級標準水聽器

建立水聲聲壓基準，并通過它傳遞聲學量單位。絕對法校準。

B.二級標準水聽器（測量水聽器）

用作實驗室中一般測試。比較法校準。根據(jù)其使用材料可分為：a、壓電式：

壓電材料有硫酸鋰單晶體、偏鈮酸鉛或鋯鈦酸鉛一類的壓電陶瓷。后來又出現(xiàn)復合壓電材料聚偏氟乙稀壓電薄膜（PVDF）制作的水聽器。b、動圈式（電動式）c、磁致伸縮式d、光纖式(2)參數(shù)①水聽器接收靈敏度②水聽器的指向性③水聽器的電阻抗④動態(tài)范圍

水聽器自由場電壓靈敏度：①水聽器接收靈敏度水聽器在平面自由聲場中輸出端的開路電壓與聲場中放入水聽器之前存在于水聽器聲中心位置處自由場聲壓的比值?！?/p>

水聽器聲壓靈敏度：水聽器輸出端的開路電壓與作用于水聽器接收面上的實際聲壓的比值。

·

指向性響應圖·

指向性指數(shù)·

指向性因數(shù)

②水聽器的指向性水聽器的指向性圖表示遠場傳來的平面波入射到水聽器接收面上的平均聲壓隨入射方向變化的曲線圖，或者說，它是水聽器在遠場平面波作用下，所產生的開路輸出電壓隨入射方向變化的曲線圖。

·波束寬度：主瓣或主聲束兩側的兩個方向之間的夾角。指向性響應圖參數(shù)——波束寬度和旁瓣級·旁瓣級：指向性指數(shù)和指向性因數(shù)

對于水聽器，其指向性因數(shù)代表定向接收器輸出端的信噪比比無指向性接收器輸出端的信噪比提高的倍數(shù)。指向性指數(shù)和指向性因數(shù)是用來度量指向性圖主瓣或主波束的尖銳程度的特征參量，也是聲吶方程的一個重要參數(shù)。指在它的輸出端測得的等效電阻抗（或電導納）。

在某頻率下加于換能器電端的瞬時電壓與所引起的瞬時電流的復數(shù)比。換能器電阻抗的倒數(shù)稱為換能器的電導納。③水聽器的電阻抗

水聽器主軸方向入射的正弦平面行波使水聽器產生的開路電壓等于水聽器實際輸出的帶寬1Hz的開路噪聲電壓時，則該聲波的聲壓級就是水聽器的等效噪聲聲壓級。水聽器的過載聲壓級與等效噪聲聲壓級之差。水聽器的過載聲壓級④動態(tài)范圍引起水聽器過載的作用聲壓級。水聽器的等效噪聲壓級（3）GB/T4128-1995一、二級標準水聽器聲學性能指標靈敏度指在水聽器輸出電纜末端測得的聲壓靈敏度或自由場低頻靈敏度。按照國家標準規(guī)定用于1Hz~100kHz頻率范圍的壓電型標準水聽器（以下同）：一級：不低于-205dB(0dBre1v/μPa)二級：不低于-210dB（0dBre1v/μPa）自由場靈敏度頻率響應自由場靈敏度頻響相對于聲壓靈敏度在整個使用頻率范圍內，至少有三個十倍頻程范圍：一級：其靈敏度的不均勻性小于±1.5dB，在其他頻率范圍內靈敏度變化不超過+6dB或-10dB。二級：其靈敏度的不均勻性小于±2dB，在其他頻率范圍內靈敏度變化不超過+6dB或-10dB。

靈敏度校準及其準確度低頻段應用國標GB4130-84中規(guī)定的一級校準方法進行校準，其校準準確度優(yōu)于±0.5dB；高頻段應用國標GB3223-82中規(guī)定的互易法進行校準，其校準準確度應優(yōu)于±0.7dB。低頻段應用國標GB4130-84中規(guī)定的二級校準方法進行校準，其校準準確度優(yōu)于±1.0dB；高頻段應用國標GB3223-82中規(guī)定的比較法進行校準，其校準準確度應優(yōu)于±1.5dB。

指向性

一級：水平指向性：在最高使用頻率下的-3dB波束寬度應大于300，在選定方向（或主軸）±50的范圍內靈敏度變化應小于±0.2dB。垂直指向性：在最高使用頻率下的-3dB波束寬度應大于150，在選定方向（或主軸）±20的范圍內靈敏度變化應小于±0.2dB。二級：

在使用的頻率范圍內，其水平指向性圖與理想的全指向性圖的偏差應小于±2dB。動態(tài)范圍一級：在60dB的動態(tài)范圍內，非線性偏差應小于±0.2dB。二級：在60dB的動態(tài)范圍內，非線性偏差應小于±0.5dB。

穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性：

每年校準一次，其變化應在校準準確度以內。溫度穩(wěn)定性：在0~400C溫度范圍內，靈敏度變化應小于0.04dB/0C。在0~400C溫度范圍內，靈敏度變化應小于0.05dB/0C。

靜壓穩(wěn)定性：

0~4MPa工作靜壓范圍內，靈敏度變化應小于0.3dB/MPa。

0~4MPa工作靜壓范圍內，靈敏度變化應小于0.4dB/MPa其他技術要求機械性能要求：?水聽器暴露于水中的所有金屬和非金屬部件都要采用耐腐蝕材料制作。?水聽器的參考聲中心位置及測量方向要有明顯標志。?水聽器相對于它的周圍媒質應是聲學剛性的。電學性能要求：?對于不帶前放的水聽器，在電纜端測得的絕緣電阻應大于100MΩ（測試電壓不小于100V）。?高阻抗的敏感元件應有電屏蔽。?連接電纜應不少于10m，當敏感元件的電容量小于連接電纜的電容量時一般應連接前置放大器。（5）使用與維護：①合理選擇水聽器.②標準水聽器每年應經計量部門檢定一次。③檢查水聽器的絕緣電阻時，試驗電壓不小于100v。④注意存放環(huán)境。⑤用完后妥善保管⑥水聽器的壓電元件電容值不可低于水聽器連接電纜本身的電容值。所以選用低分布電容電纜。2.水聲發(fā)射換能器（1）分類

同水聽器。

※無光纖式，但稀土材料的發(fā)射換能器是一種新型換能器。（3）參數(shù)：①發(fā)射換能器發(fā)送響應②發(fā)射換能器指向性③發(fā)射換能器電阻抗④輸入電功率、發(fā)射聲功率和電聲效率

①發(fā)射換能器發(fā)送響應：發(fā)送電壓響應

發(fā)射換能器在某頻率下、在指定方向上的遠場中離其聲中心某參考距離處的聲壓和該參考距離的乘積與加到輸入電端的電壓的比值。發(fā)送電流響應發(fā)送功率響應②發(fā)射換能器的指向性

發(fā)射指向性圖是表示它在自由場中輻射聲波時，在其遠場中聲能空間分布的圖象。換能器的發(fā)射指向性圖會隨發(fā)射信號頻率的改變而變化，即同一發(fā)射換能器當發(fā)射不同頻率的信號時，其輻射聲能在空間的分布是不同的.

發(fā)射指向性因數(shù)和發(fā)射指向性指數(shù)

在參考方向上（通常指聲軸向）遠場中某點的聲強（或聲壓有效值平方）與相同距離上各方向的聲強平均值（或聲壓有效值平方的平均值）之比為發(fā)射指向性因數(shù)，此比值的分貝數(shù)稱為發(fā)射指向性指數(shù)。

輸入電功率、發(fā)射聲功率和電聲效率輸入電功率

是其功率源吸收的有用功率。發(fā)射聲功率

是其在單位時間內向介質聲場發(fā)射出的有效聲能量。電聲效率

是其輸出聲功率與輸入總電功率的比值。

換能器的電聲效率實際上也等于其機電效率與機聲效率的乘積。

3.實驗目的原理方法數(shù)據(jù)處理（1）換能器阻抗特性以壓電式為例：zb—阻擋阻抗zd—動生阻抗Φ—機電轉換系數(shù)0jBdGd（2）換能器阻抗特性曲線測量原理

①小信號激勵下測量方法※②大信號激勵下測量方法HP4294APV50A1）導納坐標系GBF坐標曲線：2）阻抗坐標系RXF坐標曲線：3）阻抗極坐標系ZθF坐標曲線：

4）導納極坐標系YθF坐標曲線：

5）對數(shù)極坐標系ZθF或YθF坐標曲線：

單諧振

多諧振

Ⅲ測量結果及分析電導納頻率特性曲線MN——損耗線AB——Gt總電導CB——Gb靜電導AC——Gd動電導半功率帶寬機械品質因數(shù)二、電聲換能器1.傳聲器2.揚聲器3.實驗(1)分類(2)參數(shù)(3)使用與維護傳聲器（Microphone）俗稱話筒，音譯作麥克風，是一種聲－電換能器件。1.測量用傳聲器(1)分類①按照準確度和用途分

——基準傳聲器

——標準傳聲器

——工作傳聲器②按工作原理分電動式：

——動圈式傳聲器

——帶式傳聲器靜電式：

——壓電式傳聲器

——電容式傳聲器*駐極體傳聲器靜電式傳聲器●電容傳聲器：以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。它能提供非常高的音響質量，頻率響應寬而平坦，是高性能傳聲器，但這種傳聲器制造工藝復雜，價格高，需外加60～200V的極化電壓源，一般在專業(yè)領域使用較多?！駢弘妭髀暺鳎豪脡弘娋w的壓電效應制作。它的輸出電平高，價格低，但穩(wěn)定性和頻率響應不理想，不適于高質量工作，已趨淘汰。back

駐極體傳聲器利用駐極體材料制作的電容傳聲器，音質接近電容式，無需極化電壓，阻抗變換用前置放大器使用低噪聲場效應管，由電池供電。這種傳聲器結構簡單，電聲性能好，體積小，耐振動，價格較低，有較廣泛的應用。back(2)參數(shù)靈敏度指向性頻率響應有效頻率范圍輸出阻抗動態(tài)范圍傳聲器的靈敏度：

*聲場靈敏度

—平面自由聲場靈敏度

—擴散聲場靈敏度*聲壓靈敏度

傳聲器平面自由聲場靈敏度是指在給定頻率的正弦聲波激勵下，傳聲器的開路輸出電壓與傳聲器放入聲場以前傳聲器中心位置上平面自由聲場聲壓之比

傳聲器擴散聲場靈敏度是指傳聲器的開路輸出電壓與傳聲器放入擴散聲場之前在傳聲器放置位置上的擴散聲場聲壓之比

傳聲器聲壓靈敏度是指實際作用在傳聲器膜片上的聲壓與其開路輸出電壓之比

傳聲器的指向性傳聲器的靈敏度隨聲波入射方向而變化的特性。傳聲器的指向性常用指向性圖、指向性指數(shù)和指向性頻率響應來表示。

傳聲器的頻率響應指在某一確定的聲場中，聲波以一指定的方向入射，并保持聲壓恒定時，傳聲器的開路輸出電壓隨頻率變化的曲線。根據(jù)使用的場合不同可分為

●自由場頻率響應：傳聲器置于自由聲場中，其平面自由場靈敏度隨頻率變化的曲線?！衤晧侯l率響應：當傳聲器的聲壓靈敏度與頻率之間的關系以聲壓靈敏度頻率響應曲線來表示?！駭U散場頻率響應：當傳聲器的擴散場靈敏度與頻率之間的關系，以傳聲器擴散場靈敏度頻率響應曲線來表示傳聲器輸出阻抗每只傳聲器都有一定的內阻抗，從輸出端測得的內阻抗的模就是傳聲器輸出阻抗。一般以頻率為1000Hz的阻抗值為標稱值。傳聲器的輸出阻抗的大小直接決定輸出電纜線的長短。傳聲器的輸出阻抗高，靈敏度也高，但是易受外界的干擾，其輸出電纜不能太長，否則電纜線上感應的外界干擾在傳聲器內阻上有較大的電壓降，嚴重的可能導致傳聲器無法工作。反之，傳聲器的輸出阻抗低不易受外界的干擾，允許用長的輸出電纜線。注意傳聲器的動態(tài)范圍

指傳聲器所能接收聲音的大小，以傳聲器的最高聲壓級減去等效噪聲級就是該傳聲器的動態(tài)范圍。其上限受到失真的限制，下限受到固有噪聲的限制。（3）電容傳聲器的使用與維護①電容傳聲器的選擇②電容傳聲器的布放③電容傳聲器的極化電壓設置④電容傳聲器的膜片保護⑤工作環(huán)境溫度要求⑥正確使用防風罩和防風屏2.揚聲器

揚聲器是一種把電信號轉換成聲音信號的電聲器件。確切地說，揚聲器的工作實際上是把一定范圍內的音頻電功率信號通過換能方式轉變?yōu)槭д嫘〔⒕哂凶銐蚵晧杭壍目陕犅曇?。?）分類（2）參數(shù)（3）使用與維護（1）分類①按工作原理不同分

——電動式揚聲器紙盆式、號筒式和球頂形三種

——電磁式揚聲器

——靜電式揚聲器

——壓電式揚聲器

②按振膜形狀分

——錐形

——平板形

——球頂形

——帶狀形

——薄片形③按放聲頻率分

——低音揚聲器

——中音揚聲器

——高音揚聲器

——全頻帶揚聲器（2）參數(shù)額定功率額定阻抗頻率特性諧波失真靈敏度指向性

額定功率（W）

揚聲器的額定功率是指揚聲器能長時間工作的輸出功率，又稱為不失真功率，它一般都標在揚聲器后端的銘牌上。當揚聲器工作于額定功率時，音圈不會產生過熱或機械動過載等現(xiàn)象，發(fā)出的聲音沒有顯示失真。額定功率是一種平均功率，而實際上揚聲器工作在變功率狀態(tài)，它隨輸入音頻信號強弱而變化，在弱音樂及聲音信號中，峰值脈沖信號會超過額定功率很多倍，由于持續(xù)時間較短而不會損壞揚聲器，但有可能出現(xiàn)失真。因此，為保證在峰值脈沖出現(xiàn)時仍能獲得很好的音質，揚聲器需留足夠的功率余量。一般揚聲器的最大功率是額定功率的2-4倍。頻率特性（Hz）

頻率特性是衡量揚聲器放音頻帶寬度的指標。高保真放音系統(tǒng)要求揚聲器系統(tǒng)應能重放20Hz-20000Hz的人耳可聽音域。由于用單只揚聲器不易實現(xiàn)該音域，故目前高保真音箱系統(tǒng)采用高、中、低三種揚聲器來實現(xiàn)全頻帶重放覆蓋。此外，高保真揚聲器的頻率特性應盡量趨于平坦，否則會引入重放的頻率失真。高保真放音系統(tǒng)要求揚聲器在放音頻率范圍內頻率特性不平坦度小于10dB。

額定阻抗揚聲器的額定阻抗是指揚聲器在額定狀態(tài)下，施加在揚聲器輸入端的電壓與流過揚聲器的電流的比值?，F(xiàn)在，揚聲器的額定阻抗一般有2、4、8、16、32歐等幾種。

諧波失真（TMD%）揚聲器的失真有很多種，常見的有諧波失真（多由揚聲器磁場不均勻以及振動系統(tǒng)的畸變而引起，常在低頻時產生）、互調失真（因兩種不同頻率的信號同時加入揚聲器，互相調制引起的音質劣化）和瞬態(tài)失真（因振動系統(tǒng)的慣性不能緊跟信號的變化而變化，從而引起信號失真）等。諧波失真是指重放時，增加了原信號中沒有的諧波成份。揚聲器的諧波失真來源于磁體磁場不均勻、振動膜的特性、音圈位移等非線性失真。目前，較好的揚聲器的諧波失真指標不大于5%。

靈敏度（dB/W）

揚聲器的靈敏度通常是指輸入功率為1W的噪聲電壓時，在揚聲器軸向正面1m處所測得的聲壓大小。靈敏度是衡量揚聲器對音頻信號中的細節(jié)能否巨細無遺地重放的指標。靈敏度越高，則揚聲器對音頻信號中所有細節(jié)均能作出響應。

指向性

揚聲器對不同方向上的輻射是不同的，這種特性稱為揚聲器的指向性。它與揚聲器的口徑有關，口徑大時指向性尖，口徑小時指向性寬。指向性還與頻率有關，一般而言，對250Hz以下的低頻信號，沒有明顯的指向性。對1.5kHz以上的高頻信號則有明顯的指向性。（3）使用與維護要根據(jù)使用的場合和對聲音的要求，結合各種揚聲器的特點來選擇揚聲器。揚聲器得到的功率不要超過它的額定功率，否則，將燒毀音圈或將音圈振散。電磁式和壓電陶瓷式揚聲器工作電壓不要超過30V。

注意揚聲器的阻抗應與輸出線路配合。

在布置揚聲器的時候，要做到聲場均勻，可多點設置，使每一位聽眾得到幾乎相同的聲音響度，提高聲音的清晰度；有好的方位感，揚聲器安裝時應高于地面3米以上，讓聽眾能夠“看”到揚聲器，并盡量使水平方位的聽覺（聲源）一視覺（講話者）要盡量一致，而且兩只揚聲器之間的距離也不能過大。電動號筒式揚聲器，必須把音頭套在號筒上后才能使用，否則很易損壞發(fā)音頭。兩個揚聲器放在一起使用時，必須注意相位問題。如果是反相，聲音將顯著削弱。3.實驗（1）概述

噪聲的概念各種不同頻率和聲強的聲音的雜亂無規(guī)律組合。使人煩躁、討厭、不需要的聲音。

噪聲的物理量度（客觀評價）用客觀指定的物理量分析噪聲輻射的大小、性質強度：用聲壓作為衡量其大小的尺度。頻譜：

f—橫坐標；p—縱坐標人的主觀評價考慮到人的主觀效應進行的評價響度L，單位為“宋”規(guī)定：40dB的1000Hz純音的響度為1宋響度級：某一聲音與1kHz的純音一樣響時，該純音的聲壓級稱為與其比較的噪聲的響度級，單位：昉。響度級每增加10方，響度增加一倍（擬人感覺）。

--響度

--響度級右圖與的對照關系90807060503216841（2）等響曲線不同頻率的噪聲與某一聲壓級的1kHz純音相同。同響度級點的連線。1933年首測該曲線，1956年在自由場精測，被ISO采用。**人耳對2000~5000Hz最敏感；**人耳對<100Hz低頻不敏感；**強噪聲下，人耳難區(qū)分高低頻。（3）計權網(wǎng)絡（主觀加權：等響曲線是計權網(wǎng)絡的依據(jù)）A計權：模擬人耳40昉純音響應，代表低聲級的響度感覺，近人耳：dB（A）；B計權：模擬人耳70昉純音響應，代表中聲級的響度感覺，不常用：dB（B）；C計權：模擬人耳100昉純音響應，代表高聲級的響度感覺，近線性：dB（C）；D計權：等噪度曲線，航空應用。聲級：通過計權網(wǎng)絡讀出的聲壓級，稱為聲級。如：A聲級、B聲級，計作SLA=45dB，或45dB（A）。聲壓級與聲級的區(qū)別：*聲壓級是客觀聲音的大小。*聲級是主觀評價量，是考慮人耳的效應而加計權網(wǎng)絡得到的。（4）聲級計定義又叫噪聲計，是一種按照一定的頻率計權和時間計權測量聲音的聲壓級和聲級的儀器，它是聲學測量中最常用的基本儀器。

分類

①按其精度將聲級計分為：1級和2級。二種級別的聲級計的各種性能指標具有同樣的中心值，僅僅是容許誤差不同，而且隨著級別數(shù)字的增大，容許誤差放寬。②按體積大小可分為臺式聲級計、便攜式聲級計和袖珍式聲級計。③按其指示方式可分為模擬指示（電表、聲級燈）和數(shù)字指示聲級計

三、振動傳感器1.分類2.壓電加速度計3.激勵器（振動臺）4.實驗1.分類（1）按被測量分加速度、速度、位移等；（2）按作用的方法分接觸式和非接觸式；（3）按工作原理分壓阻式、壓電式、電容式、磁電式、渦流式等；（4）按測量的方法分機械的、光學的和電氣式的;

（1）分類根據(jù)結構不同分為：

——壓縮式

——剪切式

——彎曲式2.壓電加速度計（a）周邊壓縮式（b）中心壓縮式（c）倒置式中心壓縮式（d）環(huán)形剪切式（e）三角剪切式

s——彈簧M——質量塊P——壓電片C——導線B——基座根據(jù)準確度和用途不同分為：

標準加速度計測量加速度計（2）參數(shù)①靈敏度及其頻率特性②頻率范圍①靈敏度

●主軸靈敏度：

指在沿主軸方向的某一恒定加速度作用下，其輸出端產生的電壓（或電荷）與該加速度之間的比值，它取決于壓電片所用材料的壓電特性及質量塊的重量?！駲M向靈敏度：

加速度計對垂直于其主軸的平面內加速度的靈敏度。

靈敏度頻率特性曲線壓電加速度計的典型主軸靈敏度頻率特性曲線

典型壓電加速度計橫向靈敏度曲線

②頻率范圍

頻率上限：安裝共振頻率越高，工作頻率范圍越寬。加速度計的頻率響應曲線有幾個頻率限，它們是：5%頻率限：在此頻率上實際加到加速度計基座上的振動與測量值之間的偏差為5%.以此精確度測量的最大振動頻率近似為加速度計安裝諧振頻率的1/5。10%頻率限：在此頻率上實際加到加速度計基座上的振動與測量值之間的偏差為10%。以此精確度測量的最大振動頻率近似為加速度計安裝諧振頻率的1/3。3dB頻率限：在此頻率上實際加到加速度計基座上的振動與測量值之間的偏差為3dB。以此精確度測量的最大振動頻率近似為加速度計安裝諧振頻率的1/2。

頻率下限：壓電加速度計不可能達到真正的直流響應。壓電元件只有在受到動態(tài)力的作用下才會產生電荷，實際頻率下限決定于與加速度計相連的前置放大器。（3）前置放大器

壓電加速度傳感器可視為一個電