实验室标准传声器(耦合腔互易法)

1实验室标准传声器(耦合腔互易法)检定规程本规程依据国际电工委员会标准IEC61094-1:2000《测量传声器第1部分：实验室标准传声器规范》和IEC61094-2;1992《测量传声器第2部分：采用互易技术对实验室标准传声器声压校准的原级方法》对JJG790—1992《标准电容传声器(耦合腔互易法)》进行修订。本规程适用于实验室标准传声器的首次检定、后续检定和使用中的检验。2引用文献本规程引用下列文献：JJF1059—1999《测量不确定度评定与表示》JJG449—2001《倍频程和1/3倍频程滤波器》JJG175—1998《测试电容传声器》CB/T3102.7—1993《声学的量和单位》GB/T3947-1996《声学名词术语》IEC61094-2:1992Measurementm使用本规程时，应注意使用上述引用文献的现行有效版本。3术语和计量单位本规程采用CB/T3102.7中规定的声学的量和单位，以及CB/T3947中规定的相关术语和定义。根据本规程需要，引用IEC61094-1:2000和IEC61094-2:1992中的以下术语和定义。3.1实验室标准传声器(laboratorystandardmicrophone)能够用原级校准方法(如密闭耦合腔互易法)校准到很高的准确度，其机械尺寸和电声性能(特别是时间稳定性和环境条件影响)有严格要求的电容传声器。3.2开路电压(open-circuitvoltage)当传声器与规定的接地屏蔽结构连结但没有其他负载时，用插入电压技术在传声器电输出端测得的交流电压。单位为伏(V)。3.3传声器的声压灵敏度(pressuresensitivityofamicrophone)在给定环境条件下，对给定频率的正弦信号，传声器输出端的开路电压与均匀作用2在传声器膜片表面上(即传声器的声端)的声压之比。声压灵敏度模量|M。与参考灵敏度之比。3.5电转移阻抗(electricaltransferimpedance)对由二只声耦合传声器构成的系统，接收传声器的开路电压与发射传声器电端的输入电流之比。单位为欧姆(Ω)。3.6声转移阻抗(acoustictransferimpedance)对由二只声耦合传声器构成的系统，作用在接收传声器膜片上的声压与发射传声器产生的短路体积速度之比。单位为帕·秒每立方米(Pa·s/m³)。4概述实验室标准传声器是一种能够用原级方法(耦合腔互易法或自由场互易法)将灵敏度校准到很高准确度的电容传声器。其机械尺寸和电声性能(特别在时间稳定性和环境条件影响方面)有严格的要求。实验室标准传声器主要作为空气声声压计量基、标准装置中的标准器，用于声压量值的复现和传递。5计量性能要求5.1声压灵敏度级实验室标准传声器的声压灵敏度级见表1。声压灵敏度级(参考1V/Pa)声压灵敏度级的频率响应(最高和最低灵敏度级之差≤2dB的)频率范围5.2声压灵敏度级的频率响应实验室标准传声器声压灵敏度级的频率响应见表1。5.3稳定度在500Hz,实验室标准传声器的声压灵敏度级变化量应小于每年0.02dB,包括测量所引入的不确定度后，应不超过每年0.04dB。3实验室标准传声器使用的材料和结构应保证其有长期的使用稳定性。6.2标志和出厂校准资料1)制造商的名称或商标；2)产品的型号：3)产品的序列号。6.2.2每个实验室标准传声器应附有单独的出厂校准资料。出厂校准资料应包括该实验室标准传声器的声压灵敏度级、正常工作需要的极化电压以及气压、温度和相对湿度计量器具控制包括首次检定、后续检定以及使用中的检验。1)参考用实验室标准传声器该实验室标准传声器在检定时作为参考传声器使用，在200Hz~500Hz的频率范围内，声压灵敏度级的测量不确定度小于0.03dB(k=2);在500Hz,声压灵敏度级的变化量应不超过每年0.02dB,包括测量所引入的不确定度后，变化量应不超过每年2)前置放大器具有插入电压校准功能，在检定的频率范围内，频率响应优于±0.2dB,检定期间3)互易校准仪在检定的频率范围内，频率响应优于±0.1dB,总谐波失真小于0.01%,极化电压为(200±0.05)V,检定期间极化电压的稳定度优于±1mV。4)测量放大器5)声校准器6)正弦信号发生器在检定的频率范围内，幅值线性优于±0.05dB,总谐波失真小于0.05%,检定期间7)数字电压表在检定的频率范围内，数字电压表的最大允许误差应优于±0.03%(AC)和48)带通滤波器在检定的频率范围内，满足JJC449—2001对1级滤波器的要求。9)气压计气压计的分辨力应不低于0.01kPa,在检定环境条件内，最大允许误差应优于10)温度计温度计的分辨力应不低于0.1℃,在检定环境条件内，最大允许误差应优于11)湿度计湿度计的分辨力应不低于1%RH,在检定环境条件内，最大允许误差应优于7.1.2参考环境条件相对湿度：50%;7,1.3检定环境条件检定环境条件为：温度：(21～25)℃;相对湿度：(35~75)%;气压：(94～103)kPa;环境噪声：检定时实验室A计权环境噪声应小于35dB。检定期间环境条件变化应不大于：气压：±0.5kPa;温度：±0.5℃;相对湿度：±10%RH。7.2检定项目实验室标准传声器的检定项目见表2。首次检定后续检定外观检查+++声压灵敏度级+++(仅使用声校准器)++一+7.3检定方法5实验室标准传声器应具有清晰的标志，包括型号、序列号等。外观不应有机械损伤，膜片清洁无污染、腐蚀现象。校准资料应符合6.2.2的要求。7.3.2声压灵敏度级被检实验室标准传声器至少应于检定前4h放入符合检定环境条件的实验室中，以使传声器的性能稳定。声压灵敏度级检定装置方框图如图1所示。测量采用三传声器法，三个实验室标准传声器类型必须相同，其中至少有一个为参考用实验室标准传声器。7.3.2.1声压灵敏度级的初步检查互易测量前，将被检实验室标准传声器安装到前置放大器上并与测量放大器相连，在规定的预热时间后，用声校准器按JJC175—1998《测试电容传声器》测量被检实验室标准传声器的声压灵敏度级，应在表1规定的范围内。DD7.3.2.2自动测量1)检定装置预热时间不少于1h,以保证极化电压充分稳定。2)用直流数字电压表在互易校准仪极化电压测量端口测量极化电压并调整到3)将参考用实验室标准传声器和被检实验室标准传声器保护栅取下，需要时装上对应的转接环，三只传声器记为：1、2、3。64)根据被检实验室标准传声器的类型和所需频率范围按表3选择平面波耦合腔。实验室标准传声器5cm³(长腔)3cm³(短腔)0.7cm³(长腔)0.4cm³(短腔)测量的频率范围5)电压比测量电压比测量时前置放大器的传输损失采用插入电压技术进行补偿。a.电压比测量前，首先对被检实验室标准传声器的互易性进行检查。将参考实验室标准传声器与被检实验室标准传声器组成一个组合，先由参考实验室标准传声器发射，被检实验室标准传声器接收，然后变为被检实验室标准传声器发射，参考实验室标准传声器接收，按以下b~e条分别测量200Hz~500Hz频率上的电压比，相差应不超过±0.01dB,否则，此实验室标准传声器在检定时只作为声接收器使用。b.将实验室标准传声器1作为发射传声器，实验室标准传声器2作为接收传声器，分别安装在发射部分和接收部分的前置放大器上，二传声器用耦合腔耦合，并用弹簧定位器固定，耦合腔均压孔钢针应通畅无堵塞，然后用屏蔽罩加以屏蔽。传声器在安装和取下过程中要十分小心谨慎，安装和取下传声器前应将极化电压开关放到“0V”位置，操作完成后重新放回到“200V”位置，并用5min左右的时间使其c.启动互易校准测量程序，输入实验室标准传声器标记资料和所用耦合腔相关资20Hz~10kHz,LS2P型实验室标准传声器测量频率20Hz~25kHz,根据需要，按1/3倍频程间隔选择标称测量频率点或准确测量频率点。e.按程序要求输入当前的气压、温度和相对湿度数值，以后每一个电压比测量前f.选定传声器组合1→2,测量第一个电压比。测量期间应检查信噪比和标准偏差，如果数据异常，应对相关频率重新测量。g.对传声器组合1→3、2→3重复上述电压比测量。h.三个电压比全部测量结束后，用适当的文件名将测量结果进行保存。6)实验室标准传声器声学参数的确定a.用表3中被检实验室标准传声器适用的两种耦合腔(长腔和短腔)分别重复上(见附录A)计算出每个被检传声器各频率点的声压灵敏度级并形成两条声压频率响应c.反复调整每个被检实验室标准传声器的声学参数(主要为前腔体积、等效体积7和前腔深度),使其两条频响曲线在200Hz～2kHz(LS1P)或200Hz~4kHz(LS2P)频率范围内拟合收敛至0.005dB左右。则此时的声学参数即为该实验室标准传声器确定的声d.用确定的声学参数建立该实验室标准传声器的传声器数据文件。7)声压灵敏度级的计算根据5)测量的电压比和6)建立的数据文件，计算出三个实验室标准传声器的声压灵敏度级。1)准备工作同7.3.2.2中1)至4)条。2)电压比测量a.实验室标准传声器的安装同7.3.2.2中5)a。b,正弦信号发生器频率调至251.2Hz,也可根据需要调至标称频率250Hz,信号幅度为2V,滤波器置于对应的通带。c.分别测量传声器组合1→2的接收通道电压u₂、发射通道电压us、接收通道参考电压u。、发射通道参考电压u₄,单位为V,并记入专用记录表格。保持信号发生器输出不变，对传声器组合1→3、2→3重复测量。必要时可测量传声器组合2→1、3→1、3→2,并取两种组合的平均值进行计算。3)声压灵敏度级计算实验室标准传声器声压灵敏度级按下式计算：Lwp₁=Corgn+Corcv+Corsv+Cor₂+Corc+S分别为实验室标准传声器1、2、3的声压灵敏度级(dB),Corgt、Corgz、Cores分别为传声器1、2、3的电压比修正(dB),见附录A。Corv为耦合腔体积修正(dB),见附录A。Corrvi、Corpv、Corrvs分别为实验室标准传声器1、2、3的前腔体积修正(dB),见附录A.Corg为气压修正(dB),见附录A。Corc为电容电修正(dB),见附录A。S为参考灵敏度级(dB),见附录A。7.3.3声压灵敏度级的频率响应声压灵敏度级的频率响应由各检定频率点上的声压灵敏度级构成。因此，声压灵敏度级的频率响应检定装置和检定方法与声压灵敏度级相同。7.3.2.2的自动测量已经包含了声压灵敏度级的频率响应测量。在手动测量方式，在需要的频率范围内按1/3倍频程间隔改变信号发生器的频率，重复7.3.2.2的程序，测量出各频率点上的声压灵敏度级。在测得的各频率点声压灵敏度级中，最高灵敏度级与最低灵敏度级的差值应不大于8在200Hz~500Hz的测量频率点上，将参考用实验室标准传声器测得的结果与该传声器的参考值进行比较，如果差值不大于0.04dB(包括测量所引入的不确定度),则认为互易测量结果有效。7.3.4稳定度将被检实验室标准传声器在500Hz频率上的声压灵敏度级与上个检定周期该频率检定的声压灵敏度级进行比较，其差值应不大于0.04dB。7.4检定结果的处理经检定合格的实验室标准传声器发给检定证书；检定不合格的实验室标准传声器发给检定结果通知书，并注明不合格的项目。检定证书和检定结果通知书的内页格式见附7.5检定周期实验室标准传声器的检定周期一般不超过2年。9声压灵敏度级计算的修正项A.1传声器的声学参数部分实验室标准传声器(或可作为实验室标准传声器使用的传声器)的声学参数标称值见表A.1.前腔体积V,膜片等效体积V,阻尼系数(损耗系数)A.2电压比修正传声器1、2、3的电压比修正Corg、Corea、Corg(dB)计算公式如下：Corg₃=(R₁₃+Rzg-Rj₂)/2(dB)u₂、ug、ue、u₄分别为接收通道的输出电压、发射通道的输出电压、接收通道的参考电压、发射通道的参考电压，单位为V。A.3耦合腔体积修正由于实际使用的耦合腔体积与其标称值有偏差，因此需要对耦合腔体积进行修正修正公式见式(A.7)。式中：Vmi(nom)——被检传声器标称前腔体积和标称膜片等效体积之和，mm³;Vp(nom)——所用耦合腔的标称体积，mm³;Vwup——所用耦合腔的实际体积，mm³。A.4传声器前腔体积修正确定实验室标准传声器1、2、3的前腔体积修正Corpy、Corrz、Corrg的方法如下：在200Hz～2kHz(LS1P)或200Hz~4kHz(LS2P)频率范围内，选择2~3个频率点(一般选250H₂和1kHz),分别用长腔和短腔(见表3)按7.3.2.2测量出每个传声器不加前腔体积修正的声压灵敏度级，取两个频率上灵敏度级的平均值，找出两个耦合腔测量灵敏度级的差值，利用该差值，从图A.1或图A.2查出该传声器的前腔体积修正。A.5气压修正气压修正公式见式(A.8)。p:——检定期间气压的平均值，kPa。A.6电容量修正电容量修正公式见式(A.9)。C——参考电容的实际值，nF。S=S+C+C₇+Cm+C,(dB)C,为参考灵敏度级的传声器前腔长度修正C₁=(Ly-Lrmm)×a₁(dB)(A.14)表A.2用长腔测量LS1P型传声器的参考灵教度级修正一22.9327表A.4用长腔测量LS2P型传声器的参考灵敏度级修正表A.5用短腔测量LS2P型传声器的参考灵敏度级修正检定证书和检定结果通知书的内页格式B.1检定证书内页格式声压灵敏度级(dB,参考1V/Pa)在Hz的频率范围内，最高和最低声压灵敏度级差值为dB。检定环境条件：检定依据：JJG790—2005实验室标准传声器(耦合腔互易法)检定规程。使用的标准装置名称：B.2检定结果通知书内页格式三、声压灵敏度级的频率响应：频率/Hz声压灵敏度级(dB,参考1V/Pa)在Hz的频率范围内，最高和最低声压灵敏度级差值为dB。检定环境条件：检定依据：JJG790—2005实验室标准传声器(耦合腔互易法)检定规程。使用的标准装置名称：说明：检定结果通知书内页格式的栏目与检定证书内页格式相同，但在检定结果通知书中应标明检定不合格的项目，对未检定的项目应加于说明。实验室标准传声器主要检定的是开路声压灵敏度级，用平面波耦合腔互易校准实验室标准传声器依据的传输线方程非常复杂，加之各种修正因素层层相叠，根本不可能用一个简单的数学模型来表示，因此本附录按国际上实验室标准传声器互易校准不确定度分析的惯例进行逐项分析。C.1A类标准不确定度(1)对一组三只LS1P型实验室标准传声器的声压灵敏度级连续测量10次，取其中标准偏差最大的1只，u₁=s见表C.1。[S1P型标称频率/Hz标称频率/Hz对一组三只LS2P型实验室标准传声器的声压灵敏度级连续校准10次，取其中标准偏差最大的1只，u₁=s见表C.2。标称频率/Hz C.2B类标准不确定度(2)极化电压测量极化电压测量用数字电压表的精度为DC:±0.01%,检定期间极化电压的稳定度优于±0.001V,因此极化电压测量的最大误差为±0.021V,其对传声器灵敏度产生的影(3)电压比测量电压比测量用数字电压表的精度为AC:±0.05%,测量误差为0.0043dB。电压比根据电压表的4次不同测量之和求得，而传声器灵敏度由3个电压比的平方根决定，因此，以均匀分布考虑，电压比测量的不确定度u₃=0.0043dB。(4)串音互易校准仪的发射通道和接收通道使用同一个极化电压源，两通道之间存在申音现象，产生的串音小于-66dB,以均匀分布考虑，串音对灵敏度的影响u₄为：u₄=(5)噪声电压比测量期间信噪比大于46dB,对灵敏度的影响u₃为：us=0.0001dB。(6)失真测量电压比时信号失真小于-46dB,对灵敏度的影响u₈为：u₆=0.0001(dB)。(7)频率由于测量使用带有高精度频率显示器的信号源，其影响u₇可忽略不计。(8)平面波耦合腔参数：长度、直径、表面积、体积、泄漏影响。耦合腔参数测量误差及引入的不确定度按正态分布考虑见表C.3。泄漏影响 泄漏影响型实验室传声器泄漏影响(9)传声器参数：前腔长度、附加前腔长度、膜片共振频率、膜片阻尼系数传声器参数测量误差及引人的不确定度按正态分布考虑见表C.4。前腔长度附加长度等效和前腔体积s (10)串联电容C与发射