流管实验装置传声器阵列的校准方法

    流管是一种在流动条件下测量声衬材料声学性能的实验装置,目前国内外的流管实验研究中[1-4],均须在管道壁面安装大量传声器对声场进行测量,以便进行声模态分解[5-6]和声阻抗的提取[7-8],因此传声器的测量精度尤为重要.目前传统的传声器校准方法是采用标准活塞式声源对每个传声器进行幅值校准.对于使用传声器数量较多的流管实验方法有以下缺点:首先由于消耗时间过长可能致使校准和实验测量时的实验条件(温度、湿度等)变化,从而导致传声器的灵敏度改变;其次无法对相位进行校准,不同传声器在不同频率下的相位响应并不相同,尤其是不同厂家、不同批次或不同型号的传声器之间的相位匹配并不一致,这对于需要相位匹配的测量将会产生较大误差.鉴于目前存在以上不足迫切需要一种可以在流管现场进行幅值和相位校准的方法.本文介绍的方法试图满足这个要求.

    1 校准方法原理

    图1是流管实验装置的示意图,右侧是声源,左侧为管口,z1,z2,,,zn是测量传声器阵列的安装位置,z0,zref是标准传声器的安装位置,其中zref是参考标准传声器的安装位置,对传声器阵列的校准是通过z0处标准传声器的测量结果来计算管内声场,然后利用计算得到的声场结果校准整个传声器阵列.

    当声源频率小于管道截止频率时管道内只存在平面波,而且由于管道中没有吸声材料,管道中的声传播没有衰减.设z0,z1,,,zn处的声压为p0,p1,,,pn,各个传声器测得的电压信号为u0,u1,,,un(p0,p1,,,pn和u0,u1,,,un都是复数),各个传声器的灵敏度为C0,C1,,,Cn(也是复数),管内入射声压为pi,反射声压为pr,且管口反射系数为r,则

    这里z0处安装的传声器是标准传声器,用来校准其他传声器.

    由式(1)和(3)得

    由式(2),(4)和(5)得

    式中p0由标准传声器测量得到,um由待校准传声器测得,这样只要zm确定,该传声器的灵敏度Cm即可确定,m个传声器的灵敏度可以一次全部得到.使标准传声器测量得到的p0有误差,但是由于校准得到的灵敏度的比值相同,因此不会对以后的流管实验测量结果产生影响.

    2 校准结果分析

    在北京航空航天大学流管实验装置上进行了校准验证实验,标准传声器采用Br?el & Kj·r(B&K)公司的4935型,待校准的传声器采用北京第七九七音响股份有限公司生产的CH16型传声器.流管实验装置为矩形管,管道出口安装了消声端,以减小管口反射,降低管内驻波比,减小计算误差.管道横截面尺寸为120 mm@50 mm,当声源频率小于1400Hz (c=336m/s)时,管内声波为平面波.每个测量通道的采样率为50kS/s,以zref处传声器的信号为参考,用测量互谱的方法计算管道内各处的声压p = p#p*ref/ pref(p*ref为pref的共轭),这样可以测量得到相对于参考传声器相位的声压[9].依据双传声器传递函数法[10],利用z0和zref处标准传声器的测量结果可以计算管口反射系数r,然后由式(6)计算待校准传声器的灵敏度,标准传声器和参考传声器的轴向坐标z0和zref分别为0.195m和0.265m,待校准的12支传声器的轴向坐标见表1.详细的幅值和相位校准结果分别见图2、图3.