自由場、壓力場、隨機入射場三種響應類型傳聲器如何選擇
2024-05-10
電容式傳聲器是聲學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類型及不同響應類型的傳聲器的選擇。
一、自由場傳聲器
最常用的響應類型是自由場類型，如圖1所示。當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果最為精確。
圖1 自由場傳聲器
自由場傳聲器設計用于測量膜片處的聲壓，假設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，衍射效應會改變原來的聲場。這個效應在傳聲器的設計和校準時必須要予以考慮，以保證測試數據的精度。
自由場傳聲器最適用于空曠的沒有反射物的環境下，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準壓力傳感器類似，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、結構（如管道、殼、空腔等）內部的聲壓都是壓力場傳聲器的應用實例。
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散場傳聲器。隨機入射場傳聲器設計為全指向性，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。為得到擴散場中的精確響應，需要考慮對所有標定過的入射角度的凈效應做平均。這項工作是由傳聲器制造商在設計和標定階段完成的。
當在混響室、教堂或者其他具有硬反射墻面的區域內進行聲學測量時，應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、不同響應類型傳聲器的選擇
在低頻（≤1 kHz）時，不論傳聲器的響應類型是自由場，隨機入射場，還是壓力場，其輸出的測試數據是一致的，差別在0.2dB以內，因此，可以選用任意一種類型的傳聲器進行測試。
隨著測試頻率的增高，聲波波長變小。當聲波的波長和傳聲器本身的尺寸接近時，不同響應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?的壓力場傳聲器進行聲壓測量，其誤差接近10 dB。
圖4 不同響應類型的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 不同響應類型的1/4?傳聲器的輸出的比較
綜上，關于選擇合適的響應類型的傳聲器，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，可以通過后處理對測量數據進行修正，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性。
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