传声器校准用活塞发生器的研究进展

　　0　引言

　　在声学校准中,校准传声器的基本方法有驻波管中的瑞利盘法和烟点法、活塞发生器法、热致发生器法、互易法、静电激励器法等。从20世纪40年代开始,人们对耦合腔互易法进行的大量研究工作,达到了较高的准确度,现在频率范围在20Hz以上常采用耦合腔互易法为传声器绝对校准的标准方法[1, 2]。

　　由于耦合腔互易法在低频时信噪比会变差,并且用于均压的毛细管会导致声泄漏,因此限制了它在低频传声器校准中的应用。近年来,随着激光干涉测量技术、数字技术、数值仿真技术的发展,使得用活塞发生器法校准低频传声器的研究又成为声学校准关注的一个焦点。因此活塞发生器的研究工作又被研究者广泛关注。

　　1　活塞发生器的原理和技术关键

　　活塞发生器的研究已经有很长的历史,它早于互易技术的出现。在理论研究方面, 19世纪关于声波导管的理论已经为活塞发生器的研究打下了坚实的理论基础。

　　活塞发生器的基本原理是在尺寸远小于媒质中声波波长的密闭腔中(尺寸至少是波长的1/20),通过活塞的运动,在密闭腔中激励出平面波,活塞发生器声场声压可表示为

式中:p为声压;γ为空气比热比;p0为静压;d为活塞的直径;x为活塞运动的位移;V0为活塞平衡位置时密闭腔的体积。

　　在活塞发生器的研制中,为了得到准确的校准用声压,不但要保证(1)式中各个参数的准确性,还需要考虑到包括热传导、待校传声器前腔体积、压力泄漏、气体粘滞等因素对腔体内声压的影响。活塞发生器的技术关键包括:①活塞发生器中活塞位移的测量、初始静压的测定、腔体体积的确定(包括待校传声器前腔体积和膜片的等效体积、热传导引起的腔体表征体积等);②对热传导、波动、粘滞、腔体压力泄漏、活塞与活塞室之间的摩擦等影响因素的修正;③材料的选取、腔体的几何和机械结构设计等。

　　2　活塞发生器的研究进展

　　2. 1　整体设计研究进展

　　活塞发生器最早的结构是Wente于1917年提出的,该活塞发生器使用电机带动飞轮和曲柄驱动活塞进行运动,活塞的位移取决于飞轮和曲柄的尺寸[3]。其结构如图1所示。

　　1971年出现了由振动台驱动活塞的活塞发生器,活塞的位移由精密加速度计测量得到。整个装置的体积较大,活塞位移测量的精度主要依靠精密加速度计来保证[4](见图2)。

　　使用直流电机带动偏心轮或曲柄,进而驱动活塞的结构形式是目前商用领域中活塞发生器的主要结构形式。活塞的位移取决于偏心轮或曲柄的几何尺寸(见图3)。