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自由場、壓力場、隨機入射場三種響應(yīng)類型傳聲器如何選擇
2024-05-10
電容式傳聲器是聲學(xué)測量中最常用的傳聲器類型，其性能對測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、壓力場和隨機入射場。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、自由場傳聲器
最常用的響應(yīng)類型是自由場類型，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），且測試環(huán)境中的聲反射降為最小時，這種情況下自由場傳聲器的測量結(jié)果最為精確。
圖1 自由場傳聲器
自由場傳聲器設(shè)計用于測量膜片處的聲壓，假設(shè)傳聲器對原來的聲場沒有影響，仿佛傳聲器不存在一樣。但是，當(dāng)頻率高到聲波波長和傳聲器的尺寸接近時，傳聲器放在聲場中后，衍射效應(yīng)會改變原來的聲場。這個效應(yīng)在傳聲器的設(shè)計和校準(zhǔn)時必須要予以考慮，以保證測試數(shù)據(jù)的精度。
自由場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合。
二、壓力場傳聲器
第二種響應(yīng)類型稱為壓力場傳聲器，如圖2所示。電容式壓力場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量聲壓。壓力場傳聲器通常安裝在墻或者面板中，傳聲器的測量表面與物體表面平齊。壓力場傳聲器不需要考慮傳聲器本身對聲場的影響。壓力場中各處的幅值和相位視為是相等的。
圖2 壓力場傳聲器
壓力場傳聲器通常用于尺寸小于聲波波長的圍隔中。測試施加于墻上、機翼上、結(jié)構(gòu)（如管道、殼、空腔等）內(nèi)部的聲壓都是壓力場傳聲器的應(yīng)用實例。
三、隨機入射場傳聲器
第三種類型稱為隨機入射場傳聲器，如圖3所示。
圖3 隨機入射場傳聲器
這類傳聲器也被稱作擴(kuò)散場傳聲器。隨機入射場傳聲器設(shè)計為全指向性，測量來自多方向、多聲源、多次反射的聲壓。隨機入射場傳聲器需要補償其自身對聲場的影響。為得到擴(kuò)散場中的精確響應(yīng)，需要考慮對所有標(biāo)定過的入射角度的凈效應(yīng)做平均。這項工作是由傳聲器制造商在設(shè)計和標(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)測量時，應(yīng)該使用隨機入射場傳聲器，以精確地測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，不論傳聲器的響應(yīng)類型是自由場，隨機入射場，還是壓力場，其輸出的測試數(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)行測試。
隨著測試頻率的增高，聲波波長變小。當(dāng)聲波的波長和傳聲器本身的尺寸接近時，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，對于1/2?傳聲器，在20 kHz頻率點處，不同響應(yīng)類型的傳聲器的輸出的差異接近10 dB。換言之，如果在自由場聲場中，采用1/2?的壓力場傳聲器進(jìn)行聲壓測量，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，對于1/4?（6mm）傳聲器，在20 kHz頻率點處，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.測試頻率低于≤1 kHz時，不必考慮傳聲器的響應(yīng)類型；
2.測試頻率高于≥1 kHz時，最好選擇和測試的聲場類型匹配的傳聲器；
3.如果已知傳聲器在不同類型聲場中的響應(yīng)，可以通過后處理對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，則不必考慮傳聲器與聲場是否匹配；
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適應(yīng)性。
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