實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(耦合腔互易法)

1實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(耦合腔互易法)檢定規(guī)程本規(guī)程依據(jù)國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC61094-1:2000《測量傳聲器第1部分：實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器規(guī)范》和IEC61094-2;1992《測量傳聲器第2部分：采用互易技術(shù)對實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器聲壓校準(zhǔn)的原級方法》對JJG790—1992《標(biāo)準(zhǔn)電容傳聲器(耦合腔互易法)》進行修訂。本規(guī)程適用于實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中的檢驗。2引用文獻本規(guī)程引用下列文獻：JJF1059—1999《測量不確定度評定與表示》JJG449—2001《倍頻程和1/3倍頻程濾波器》JJG175—1998《測試電容傳聲器》CB/T3102.7—1993《聲學(xué)的量和單位》GB/T3947-1996《聲學(xué)名詞術(shù)語》IEC61094-2:1992Measurementm使用本規(guī)程時，應(yīng)注意使用上述引用文獻的現(xiàn)行有效版本。3術(shù)語和計量單位本規(guī)程采用CB/T3102.7中規(guī)定的聲學(xué)的量和單位，以及CB/T3947中規(guī)定的相關(guān)術(shù)語和定義。根據(jù)本規(guī)程需要，引用IEC61094-1:2000和IEC61094-2:1992中的以下術(shù)語和定義。3.1實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(laboratorystandardmicrophone)能夠用原級校準(zhǔn)方法(如密閉耦合腔互易法)校準(zhǔn)到很高的準(zhǔn)確度，其機械尺寸和電聲性能(特別是時間穩(wěn)定性和環(huán)境條件影響)有嚴(yán)格要求的電容傳聲器。3.2開路電壓(open-circuitvoltage)當(dāng)傳聲器與規(guī)定的接地屏蔽結(jié)構(gòu)連結(jié)但沒有其他負載時，用插入電壓技術(shù)在傳聲器電輸出端測得的交流電壓。單位為伏(V)。3.3傳聲器的聲壓靈敏度(pressuresensitivityofamicrophone)在給定環(huán)境條件下，對給定頻率的正弦信號，傳聲器輸出端的開路電壓與均勻作用2在傳聲器膜片表面上(即傳聲器的聲端)的聲壓之比。聲壓靈敏度模量|M。與參考靈敏度之比。3.5電轉(zhuǎn)移阻抗(electricaltransferimpedance)對由二只聲耦合傳聲器構(gòu)成的系統(tǒng)，接收傳聲器的開路電壓與發(fā)射傳聲器電端的輸入電流之比。單位為歐姆(Ω)。3.6聲轉(zhuǎn)移阻抗(acoustictransferimpedance)對由二只聲耦合傳聲器構(gòu)成的系統(tǒng)，作用在接收傳聲器膜片上的聲壓與發(fā)射傳聲器產(chǎn)生的短路體積速度之比。單位為帕·秒每立方米(Pa·s/m3)。4概述實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器是一種能夠用原級方法(耦合腔互易法或自由場互易法)將靈敏度校準(zhǔn)到很高準(zhǔn)確度的電容傳聲器。其機械尺寸和電聲性能(特別在時間穩(wěn)定性和環(huán)境條件影響方面)有嚴(yán)格的要求。實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器主要作為空氣聲聲壓計量基、標(biāo)準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)器，用于聲壓量值的復(fù)現(xiàn)和傳遞。5計量性能要求5.1聲壓靈敏度級實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的聲壓靈敏度級見表1。聲壓靈敏度級(參考1V/Pa)聲壓靈敏度級的頻率響應(yīng)(最高和最低靈敏度級之差≤2dB的)頻率范圍5.2聲壓靈敏度級的頻率響應(yīng)實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器聲壓靈敏度級的頻率響應(yīng)見表1。5.3穩(wěn)定度在500Hz,實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的聲壓靈敏度級變化量應(yīng)小于每年0.02dB,包括測量所引入的不確定度后，應(yīng)不超過每年0.04dB。3實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器使用的材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)保證其有長期的使用穩(wěn)定性。6.2標(biāo)志和出廠校準(zhǔn)資料1)制造商的名稱或商標(biāo)；2)產(chǎn)品的型號：3)產(chǎn)品的序列號。6.2.2每個實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器應(yīng)附有單獨的出廠校準(zhǔn)資料。出廠校準(zhǔn)資料應(yīng)包括該實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的聲壓靈敏度級、正常工作需要的極化電壓以及氣壓、溫度和相對濕度計量器具控制包括首次檢定、后續(xù)檢定以及使用中的檢驗。1)參考用實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器該實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器在檢定時作為參考傳聲器使用，在200Hz~500Hz的頻率范圍內(nèi)，聲壓靈敏度級的測量不確定度小于0.03dB(k=2);在500Hz,聲壓靈敏度級的變化量應(yīng)不超過每年0.02dB,包括測量所引入的不確定度后，變化量應(yīng)不超過每年2)前置放大器具有插入電壓校準(zhǔn)功能，在檢定的頻率范圍內(nèi)，頻率響應(yīng)優(yōu)于±0.2dB,檢定期間3)互易校準(zhǔn)儀在檢定的頻率范圍內(nèi)，頻率響應(yīng)優(yōu)于±0.1dB,總諧波失真小于0.01%,極化電壓為(200±0.05)V,檢定期間極化電壓的穩(wěn)定度優(yōu)于±1mV。4)測量放大器5)聲校準(zhǔn)器6)正弦信號發(fā)生器在檢定的頻率范圍內(nèi)，幅值線性優(yōu)于±0.05dB,總諧波失真小于0.05%,檢定期間7)數(shù)字電壓表在檢定的頻率范圍內(nèi)，數(shù)字電壓表的最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于±0.03%(AC)和48)帶通濾波器在檢定的頻率范圍內(nèi)，滿足JJC449—2001對1級濾波器的要求。9)氣壓計氣壓計的分辨力應(yīng)不低于0.01kPa,在檢定環(huán)境條件內(nèi)，最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于10)溫度計溫度計的分辨力應(yīng)不低于0.1℃,在檢定環(huán)境條件內(nèi)，最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于11)濕度計濕度計的分辨力應(yīng)不低于1%RH,在檢定環(huán)境條件內(nèi)，最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于7.1.2參考環(huán)境條件相對濕度：50%;7,1.3檢定環(huán)境條件檢定環(huán)境條件為：溫度：(21～25)℃;相對濕度：(35~75)%;氣壓：(94～103)kPa;環(huán)境噪聲：檢定時實驗室A計權(quán)環(huán)境噪聲應(yīng)小于35dB。檢定期間環(huán)境條件變化應(yīng)不大于：氣壓：±0.5kPa;溫度：±0.5℃;相對濕度：±10%RH。7.2檢定項目實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的檢定項目見表2。首次檢定后續(xù)檢定外觀檢查+++聲壓靈敏度級+++(僅使用聲校準(zhǔn)器)++一+7.3檢定方法5實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器應(yīng)具有清晰的標(biāo)志，包括型號、序列號等。外觀不應(yīng)有機械損傷，膜片清潔無污染、腐蝕現(xiàn)象。校準(zhǔn)資料應(yīng)符合6.2.2的要求。7.3.2聲壓靈敏度級被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器至少應(yīng)于檢定前4h放入符合檢定環(huán)境條件的實驗室中，以使傳聲器的性能穩(wěn)定。聲壓靈敏度級檢定裝置方框圖如圖1所示。測量采用三傳聲器法，三個實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器類型必須相同，其中至少有一個為參考用實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器。7.3.2.1聲壓靈敏度級的初步檢查互易測量前，將被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器安裝到前置放大器上并與測量放大器相連，在規(guī)定的預(yù)熱時間后，用聲校準(zhǔn)器按JJC175—1998《測試電容傳聲器》測量被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的聲壓靈敏度級，應(yīng)在表1規(guī)定的范圍內(nèi)。DD7.3.2.2自動測量1)檢定裝置預(yù)熱時間不少于1h,以保證極化電壓充分穩(wěn)定。2)用直流數(shù)字電壓表在互易校準(zhǔn)儀極化電壓測量端口測量極化電壓并調(diào)整到3)將參考用實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器和被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器保護柵取下，需要時裝上對應(yīng)的轉(zhuǎn)接環(huán)，三只傳聲器記為：1、2、3。64)根據(jù)被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的類型和所需頻率范圍按表3選擇平面波耦合腔。實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器5cm3(長腔)3cm3(短腔)0.7cm3(長腔)0.4cm3(短腔)測量的頻率范圍5)電壓比測量電壓比測量時前置放大器的傳輸損失采用插入電壓技術(shù)進行補償。a.電壓比測量前，首先對被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的互易性進行檢查。將參考實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器與被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器組成一個組合，先由參考實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器發(fā)射，被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器接收，然后變?yōu)楸粰z實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器發(fā)射，參考實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器接收，按以下b~e條分別測量200Hz~500Hz頻率上的電壓比，相差應(yīng)不超過±0.01dB,否則，此實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器在檢定時只作為聲接收器使用。b.將實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器1作為發(fā)射傳聲器，實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器2作為接收傳聲器，分別安裝在發(fā)射部分和接收部分的前置放大器上，二傳聲器用耦合腔耦合，并用彈簧定位器固定，耦合腔均壓孔鋼針應(yīng)通暢無堵塞，然后用屏蔽罩加以屏蔽。傳聲器在安裝和取下過程中要十分小心謹(jǐn)慎，安裝和取下傳聲器前應(yīng)將極化電壓開關(guān)放到“0V”位置，操作完成后重新放回到“200V”位置，并用5min左右的時間使其c.啟動互易校準(zhǔn)測量程序，輸入實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器標(biāo)記資料和所用耦合腔相關(guān)資20Hz~10kHz,LS2P型實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器測量頻率20Hz~25kHz,根據(jù)需要，按1/3倍頻程間隔選擇標(biāo)稱測量頻率點或準(zhǔn)確測量頻率點。e.按程序要求輸入當(dāng)前的氣壓、溫度和相對濕度數(shù)值，以后每一個電壓比測量前f.選定傳聲器組合1→2,測量第一個電壓比。測量期間應(yīng)檢查信噪比和標(biāo)準(zhǔn)偏差，如果數(shù)據(jù)異常，應(yīng)對相關(guān)頻率重新測量。g.對傳聲器組合1→3、2→3重復(fù)上述電壓比測量。h.三個電壓比全部測量結(jié)束后，用適當(dāng)?shù)奈募麑y量結(jié)果進行保存。6)實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器聲學(xué)參數(shù)的確定a.用表3中被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器適用的兩種耦合腔(長腔和短腔)分別重復(fù)上(見附錄A)計算出每個被檢傳聲器各頻率點的聲壓靈敏度級并形成兩條聲壓頻率響應(yīng)c.反復(fù)調(diào)整每個被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的聲學(xué)參數(shù)(主要為前腔體積、等效體積7和前腔深度),使其兩條頻響曲線在200Hz～2kHz(LS1P)或200Hz~4kHz(LS2P)頻率范圍內(nèi)擬合收斂至0.005dB左右。則此時的聲學(xué)參數(shù)即為該實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器確定的聲d.用確定的聲學(xué)參數(shù)建立該實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的傳聲器數(shù)據(jù)文件。7)聲壓靈敏度級的計算根據(jù)5)測量的電壓比和6)建立的數(shù)據(jù)文件，計算出三個實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的聲壓靈敏度級。1)準(zhǔn)備工作同7.3.2.2中1)至4)條。2)電壓比測量a.實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的安裝同7.3.2.2中5)a。b,正弦信號發(fā)生器頻率調(diào)至251.2Hz,也可根據(jù)需要調(diào)至標(biāo)稱頻率250Hz,信號幅度為2V,濾波器置于對應(yīng)的通帶。c.分別測量傳聲器組合1→2的接收通道電壓u?、發(fā)射通道電壓us、接收通道參考電壓u。、發(fā)射通道參考電壓u?,單位為V,并記入專用記錄表格。保持信號發(fā)生器輸出不變，對傳聲器組合1→3、2→3重復(fù)測量。必要時可測量傳聲器組合2→1、3→1、3→2,并取兩種組合的平均值進行計算。3)聲壓靈敏度級計算實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器聲壓靈敏度級按下式計算：Lwp?=Corgn+Corcv+Corsv+Cor?+Corc+S分別為實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器1、2、3的聲壓靈敏度級(dB),Corgt、Corgz、Cores分別為傳聲器1、2、3的電壓比修正(dB),見附錄A。Corv為耦合腔體積修正(dB),見附錄A。Corrvi、Corpv、Corrvs分別為實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器1、2、3的前腔體積修正(dB),見附錄A.Corg為氣壓修正(dB),見附錄A。Corc為電容電修正(dB),見附錄A。S為參考靈敏度級(dB),見附錄A。7.3.3聲壓靈敏度級的頻率響應(yīng)聲壓靈敏度級的頻率響應(yīng)由各檢定頻率點上的聲壓靈敏度級構(gòu)成。因此，聲壓靈敏度級的頻率響應(yīng)檢定裝置和檢定方法與聲壓靈敏度級相同。7.3.2.2的自動測量已經(jīng)包含了聲壓靈敏度級的頻率響應(yīng)測量。在手動測量方式，在需要的頻率范圍內(nèi)按1/3倍頻程間隔改變信號發(fā)生器的頻率，重復(fù)7.3.2.2的程序，測量出各頻率點上的聲壓靈敏度級。在測得的各頻率點聲壓靈敏度級中，最高靈敏度級與最低靈敏度級的差值應(yīng)不大于8在200Hz~500Hz的測量頻率點上，將參考用實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器測得的結(jié)果與該傳聲器的參考值進行比較，如果差值不大于0.04dB(包括測量所引入的不確定度),則認為互易測量結(jié)果有效。7.3.4穩(wěn)定度將被檢實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器在500Hz頻率上的聲壓靈敏度級與上個檢定周期該頻率檢定的聲壓靈敏度級進行比較，其差值應(yīng)不大于0.04dB。7.4檢定結(jié)果的處理經(jīng)檢定合格的實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器發(fā)給檢定證書；檢定不合格的實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器發(fā)給檢定結(jié)果通知書，并注明不合格的項目。檢定證書和檢定結(jié)果通知書的內(nèi)頁格式見附7.5檢定周期實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的檢定周期一般不超過2年。9聲壓靈敏度級計算的修正項A.1傳聲器的聲學(xué)參數(shù)部分實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(或可作為實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器使用的傳聲器)的聲學(xué)參數(shù)標(biāo)稱值見表A.1.前腔體積V,膜片等效體積V,阻尼系數(shù)(損耗系數(shù))A.2電壓比修正傳聲器1、2、3的電壓比修正Corg、Corea、Corg(dB)計算公式如下：Corg?=(R??+Rzg-Rj?)/2(dB)u?、ug、ue、u?分別為接收通道的輸出電壓、發(fā)射通道的輸出電壓、接收通道的參考電壓、發(fā)射通道的參考電壓，單位為V。A.3耦合腔體積修正由于實際使用的耦合腔體積與其標(biāo)稱值有偏差，因此需要對耦合腔體積進行修正修正公式見式(A.7)。式中：Vmi(nom)——被檢傳聲器標(biāo)稱前腔體積和標(biāo)稱膜片等效體積之和，mm3;Vp(nom)——所用耦合腔的標(biāo)稱體積，mm3;Vwup——所用耦合腔的實際體積，mm3。A.4傳聲器前腔體積修正確定實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器1、2、3的前腔體積修正Corpy、Corrz、Corrg的方法如下：在200Hz～2kHz(LS1P)或200Hz~4kHz(LS2P)頻率范圍內(nèi)，選擇2~3個頻率點(一般選250H?和1kHz),分別用長腔和短腔(見表3)按7.3.2.2測量出每個傳聲器不加前腔體積修正的聲壓靈敏度級，取兩個頻率上靈敏度級的平均值，找出兩個耦合腔測量靈敏度級的差值，利用該差值，從圖A.1或圖A.2查出該傳聲器的前腔體積修正。A.5氣壓修正氣壓修正公式見式(A.8)。p:——檢定期間氣壓的平均值，kPa。A.6電容量修正電容量修正公式見式(A.9)。C——參考電容的實際值，nF。S=S+C+C?+Cm+C,(dB)C,為參考靈敏度級的傳聲器前腔長度修正C?=(Ly-Lrmm)×a?(dB)(A.14)表A.2用長腔測量LS1P型傳聲器的參考靈教度級修正一22.9327表A.4用長腔測量LS2P型傳聲器的參考靈敏度級修正表A.5用短腔測量LS2P型傳聲器的參考靈敏度級修正檢定證書和檢定結(jié)果通知書的內(nèi)頁格式B.1檢定證書內(nèi)頁格式聲壓靈敏度級(dB,參考1V/Pa)在Hz的頻率范圍內(nèi)，最高和最低聲壓靈敏度級差值為dB。檢定環(huán)境條件：檢定依據(jù)：JJG790—2005實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(耦合腔互易法)檢定規(guī)程。使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置名稱：B.2檢定結(jié)果通知書內(nèi)頁格式三、聲壓靈敏度級的頻率響應(yīng)：頻率/Hz聲壓靈敏度級(dB,參考1V/Pa)在Hz的頻率范圍內(nèi)，最高和最低聲壓靈敏度級差值為dB。檢定環(huán)境條件：檢定依據(jù)：JJG790—2005實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(耦合腔互易法)檢定規(guī)程。使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置名稱：說明：檢定結(jié)果通知書內(nèi)頁格式的欄目與檢定證書內(nèi)頁格式相同，但在檢定結(jié)果通知書中應(yīng)標(biāo)明檢定不合格的項目，對未檢定的項目應(yīng)加于說明。實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器主要檢定的是開路聲壓靈敏度級，用平面波耦合腔互易校準(zhǔn)實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器依據(jù)的傳輸線方程非常復(fù)雜，加之各種修正因素層層相疊，根本不可能用一個簡單的數(shù)學(xué)模型來表示，因此本附錄按國際上實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器互易校準(zhǔn)不確定度分析的慣例進行逐項分析。C.1A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度(1)對一組三只LS1P型實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的聲壓靈敏度級連續(xù)測量10次，取其中標(biāo)準(zhǔn)偏差最大的1只，u?=s見表C.1。[S1P型標(biāo)稱頻率/Hz標(biāo)稱頻率/Hz對一組三只LS2P型實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的聲壓靈敏度級連續(xù)校準(zhǔn)10次，取其中標(biāo)準(zhǔn)偏差最大的1只，u?=s見表C.2。標(biāo)稱頻率/Hz C.2B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度(2)極化電壓測量極化電壓測量用數(shù)字電壓表的精度為DC:±0.01%,檢定期間極化電壓的穩(wěn)定度優(yōu)于±0.001V,因此極化電壓測量的最大誤差為±0.021V,其對傳聲器靈敏度產(chǎn)生的影(3)電壓比測量電壓比測量用數(shù)字電壓表的精度為AC:±0.05%,測量誤差為0.0043dB。電壓比根據(jù)電壓表的4次不同測量之和求得，而傳聲器靈敏度由3個電壓比的平方根決定，因此，以均勻分布考慮，電壓比測量的不確定度u?=0.0043dB。(4)串音互易校準(zhǔn)儀的發(fā)射通道和接收通道使用同一個極化電壓源，兩通道之間存在申音現(xiàn)象，產(chǎn)生的串音小于-66dB,以均勻分布考慮，串音對靈敏度的影響u?為：u?=(5)噪聲電壓比測量期間信噪比大于46dB,對靈敏度的影響u?為：us=0.0001dB。(6)失真測量電壓比時信號失真小于-46dB,對靈敏度的影響u?為：u?=0.0001(dB)。(7)頻率由于測量使用帶有高精度頻率顯示器的信號源，其影響u?可忽略不計。(8)平面波耦合腔參數(shù)：長度、直徑、表面積、體積、泄漏影響。耦合腔參數(shù)測量誤差及引入的不確定度按正態(tài)分布考慮見表C.3。泄漏影響 泄漏影響型實驗室傳聲器泄漏影響(9)傳聲器參數(shù)：前腔長度、附加前腔長度、膜片共振頻率、膜片阻尼系數(shù)傳聲器參數(shù)測量誤差及引人的不確定度按正態(tài)分布考慮見表C.4。前腔長度附加長度等效和前腔體積s (10)串聯(lián)電容C與發(fā)射