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自由場(chǎng)、壓力場(chǎng)、隨機(jī)入射場(chǎng)三種響應(yīng)類型傳聲器如何選擇
2024-05-10
電容式傳聲器是聲學(xué)測(cè)量中最常用的傳聲器類型，其性能對(duì)測(cè)量精度有著重要的影響。電容式傳聲器有三種響應(yīng)類型，分別是：自由場(chǎng)、壓力場(chǎng)和隨機(jī)入射場(chǎng)。下面，就讓我們一一來了解一下這三種響應(yīng)類型及不同響應(yīng)類型的傳聲器的選擇。
一、自由場(chǎng)傳聲器
最常用的響應(yīng)類型是自由場(chǎng)類型，如圖1所示。當(dāng)聲音來自單一方向和單一聲源， 聲波的傳播方向和傳聲器膜片垂直（0°入射角），且測(cè)試環(huán)境中的聲反射降為最小時(shí)，這種情況下自由場(chǎng)傳聲器的測(cè)量結(jié)果最為精確。
圖1 自由場(chǎng)傳聲器
自由場(chǎng)傳聲器設(shè)計(jì)用于測(cè)量膜片處的聲壓，假設(shè)傳聲器對(duì)原來的聲場(chǎng)沒有影響，仿佛傳聲器不存在一樣。但是，當(dāng)頻率高到聲波波長(zhǎng)和傳聲器的尺寸接近時(shí)，傳聲器放在聲場(chǎng)中后，衍射效應(yīng)會(huì)改變?cè)瓉淼穆晥?chǎng)。這個(gè)效應(yīng)在傳聲器的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)時(shí)必須要予以考慮，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的精度。
自由場(chǎng)傳聲器最適用于空曠的沒有反射物的環(huán)境下，如消聲室和開闊地等這些場(chǎng)合。
二、壓力場(chǎng)傳聲器
第二種響應(yīng)類型稱為壓力場(chǎng)傳聲器，如圖2所示。電容式壓力場(chǎng)傳聲器的使用方法和壓電式或標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器類似，典型用于在管道或空腔中測(cè)量聲壓。壓力場(chǎng)傳聲器通常安裝在墻或者面板中，傳聲器的測(cè)量表面與物體表面平齊。壓力場(chǎng)傳聲器不需要考慮傳聲器本身對(duì)聲場(chǎng)的影響。壓力場(chǎng)中各處的幅值和相位視為是相等的。
圖2 壓力場(chǎng)傳聲器
壓力場(chǎng)傳聲器通常用于尺寸小于聲波波長(zhǎng)的圍隔中。測(cè)試施加于墻上、機(jī)翼上、結(jié)構(gòu)（如管道、殼、空腔等）內(nèi)部的聲壓都是壓力場(chǎng)傳聲器的應(yīng)用實(shí)例。
三、隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器
第三種類型稱為隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器，如圖3所示。
圖3 隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器
這類傳聲器也被稱作擴(kuò)散場(chǎng)傳聲器。隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器設(shè)計(jì)為全指向性，測(cè)量來自多方向、多聲源、多次反射的聲壓。隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器需要補(bǔ)償其自身對(duì)聲場(chǎng)的影響。為得到擴(kuò)散場(chǎng)中的精確響應(yīng)，需要考慮對(duì)所有標(biāo)定過的入射角度的凈效應(yīng)做平均。這項(xiàng)工作是由傳聲器制造商在設(shè)計(jì)和標(biāo)定階段完成的。
當(dāng)在混響室、教堂或者其他具有硬反射墻面的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量時(shí)，應(yīng)該使用隨機(jī)入射場(chǎng)傳聲器，以精確地測(cè)量來自多聲源的聲音。
四、不同響應(yīng)類型傳聲器的選擇
在低頻（≤1 kHz）時(shí)，不論傳聲器的響應(yīng)類型是自由場(chǎng)，隨機(jī)入射場(chǎng)，還是壓力場(chǎng)，其輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)是一致的，差別在0.2dB以內(nèi)，因此，可以選用任意一種類型的傳聲器進(jìn)行測(cè)試。
隨著測(cè)試頻率的增高，聲波波長(zhǎng)變小。當(dāng)聲波的波長(zhǎng)和傳聲器本身的尺寸接近時(shí)，不同響應(yīng)類型的傳聲器的輸出之間的差異開始變大。
如圖4所示，對(duì)于1/2?傳聲器，在20 kHz頻率點(diǎn)處，不同響應(yīng)類型的傳聲器的輸出的差異接近10 dB。換言之，如果在自由場(chǎng)聲場(chǎng)中，采用1/2?的壓力場(chǎng)傳聲器進(jìn)行聲壓測(cè)量，其誤差接近10 dB。
圖4 不同響應(yīng)類型的1/2?傳聲器的輸出的比較
從圖5可以看到，對(duì)于1/4?（6mm）傳聲器，在20 kHz頻率點(diǎn)處，不同響應(yīng)類型的傳聲器的輸出的差異接近6dB，小于1/2?傳聲器的10 dB的差異。
圖5 不同響應(yīng)類型的1/4?傳聲器的輸出的比較
綜上，關(guān)于選擇合適的響應(yīng)類型的傳聲器，我們提供以下建議：
1.測(cè)試頻率低于≤1 kHz時(shí)，不必考慮傳聲器的響應(yīng)類型；
2.測(cè)試頻率高于≥1 kHz時(shí)，最好選擇和測(cè)試的聲場(chǎng)類型匹配的傳聲器；
3.如果已知傳聲器在不同類型聲場(chǎng)中的響應(yīng)，可以通過后處理對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，則不必考慮傳聲器與聲場(chǎng)是否匹配；
4.較之大尺寸傳聲器，小尺寸的傳聲器具有更好的多類型聲場(chǎng)適應(yīng)性。
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