靜電激勵器校準規(guī)范

1靜電激勵器校準規(guī)范1范圍本規(guī)范規(guī)定了用于測定傳聲器頻率響應(yīng)的靜電激勵器的計量特性、校準條件和校準方法。本規(guī)范適用于測定傳聲器頻率響應(yīng)的靜電激勵器的校準。2引用文獻本規(guī)范引用下列文獻JJF1001—1998通用計量術(shù)語及定義JJF1034—2005聲學計量名詞術(shù)語及定義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JJG790—2005實驗室標準傳聲器(耦合腔互易法)GB/T3102.7—1993聲學的量和單位IEC61094-6:2004測量傳聲器第6部分：測量頻率響應(yīng)的靜電激勵器(Meas-urementmicrophones—Part6:Electrostaticactuatorsfordeterminationoffrequencyre-使用本規(guī)范時，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)范采用JJF1001—1998和JJF1034—2005中有關(guān)的術(shù)語及定義。本規(guī)范采用GB/T3102.7—1993中規(guī)定的量和單位。根據(jù)本規(guī)范需要，引用IEC61094-6中的以下術(shù)語和定義：傳聲器的靜電激勵器響應(yīng)electrostaticactuatorresponseofamicrophone用特別設(shè)計的、由幅頻特性均勻的電壓驅(qū)動的靜電激勵器測得的，相對于在規(guī)定頻率的輸出，以頻率函數(shù)表示的傳聲器的輸出。4概述靜電激勵器是用于測定傳聲器頻率響應(yīng)的裝置，它由一個導(dǎo)電剛性平板組成。該平板位于傳聲器膜片附近，在平板與膜片間施加交流電壓信號，產(chǎn)生靜電力，用以模擬均勻分布在膜片表面上的聲壓，其基頻聲壓的方均根值p可用式(1)表示：式中：p——基頻聲壓的方均根值，單位為帕(Pa);2Eu——靜電激勵器和膜片間空氣的介電常數(shù)，單位為法每米(F/m),(在空氣中Ega=8.85×10-12F/m);a——在膜片有效面積上方的靜電激勵器有效面積和膜片有效面積之比；d——激勵器與膜片間的有效距離，單位為米(m);U?——施加于激勵器和膜片間的直流電壓，單位為伏(V);u——施加于激勵器和膜片間的交流電壓的方均根值，單位為伏(V)。靜電激勵器法測定傳聲器的相對頻率響應(yīng)是一種簡易快捷的方法，也是目前測定傳聲器頻率響應(yīng)的主要方法之一。該方法得到傳聲器的相對頻率響應(yīng)，加上預(yù)先確定的特定修正值，就能獲得該傳聲器在不同聲場類型中的頻率響應(yīng)。5計量特性5.1靜電激勵器響應(yīng)的重復(fù)性在靜電激勵器響應(yīng)的規(guī)定頻率上，通常選取250Hz,其重復(fù)性一般不大于0.04dB。5.2靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的一致性靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的平均值，和單次測量所得的靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值的偏差，一般不超過±0.1dB。6校準條件6.1環(huán)境條件1)參考環(huán)境條件相對濕度：50%;2)測量環(huán)境條件相對濕度：35%～75%;在被測頻率的頻帶上，背景噪聲聲壓級至少應(yīng)低于靜電激勵器響應(yīng)級25dB。6.2標準器及其他設(shè)備1)實驗室標準傳聲器LS1P和LS2P實驗室標準傳聲器應(yīng)符合JJG790中計量性能的要求。2)交流信號源在測量頻率范圍內(nèi)，相對于參考頻率250Hz的幅頻特性優(yōu)于±0.02dB。3)直流電壓源直流電壓源一般為800V,測量期間幅度穩(wěn)定度優(yōu)于0.05%。4)信號分析系統(tǒng)(或等效測量儀器)信號分析系統(tǒng)通常可由測量放大器、1/3倍頻程濾波器及前置放大器組成，在測量3頻率范圍內(nèi)，相對于參考頻率250Hz的頻率響應(yīng)優(yōu)于±0.02dB。5)數(shù)字電壓表在測量頻率范圍內(nèi)，數(shù)字電壓表的最大允許誤差不超過±0.1%(AC)或±0.05%7校準項目和校準方法7.1校準項目靜電激勵器的校準項目見表1。1靜電激勵器響應(yīng)的重復(fù)性2靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的一致性7.2校準方法7.2.1校準前檢查檢查靜電激勵器的外觀，應(yīng)符合以下要求：1)靜電激勵器的文字、標志應(yīng)清晰可辨。2)靜電激勵器的剛性導(dǎo)電板表面應(yīng)無機械損傷和毛刺，以免產(chǎn)生靜電放電，損壞7.2.2靜電激勵器響應(yīng)的重復(fù)性7.2.2.1靜電激勵器響應(yīng)的重復(fù)性測量裝置方框圖如圖1所示，圖中電阻器的典型值為10MΩ、電容器的典型值為5nF。被校被校圖1靜電激勵器響應(yīng)的測量裝置7.2.2.2交流信號源一般由正弦信號發(fā)生器和增益不小于20dB的交流放大器組成。首先設(shè)定1/3倍頻程濾波器的中心頻率為250Hz,正弦信號發(fā)生器的信號頻率為250Hz,并從小到大調(diào)節(jié)輸出信號幅度，其信號幅度通常調(diào)節(jié)至約30V,在測量放大器上的指示約為94dB,經(jīng)數(shù)字電壓表讀取電壓值U。。7.2.2.3取下被校靜電激勵器，每次旋轉(zhuǎn)約60°角后重新放置，并按上述7.2.2.2重復(fù)4測量5次，分別得到電壓值U?~U?。7.2.2.4計算出電壓值U?~Us單次測量的標準偏差，其值即為靜電激勵器響應(yīng)的重復(fù)性。7.2.3靜電激勵器響應(yīng)級和聲壓響應(yīng)級之差的一致性7.2.3.1靜電激勵器響應(yīng)級測量裝置方框圖如圖1所示，首先按7.2.2.2條測得電壓7.2.3.2在測量頻率范圍內(nèi)，依次設(shè)定1/3倍頻程濾波器的中心頻率和相應(yīng)正弦信號發(fā)生器的輸出信號頻率，并保持正弦信號發(fā)生器的輸出電壓不變，分別在數(shù)字電壓表上讀出每個被測頻率上相應(yīng)的電壓值U;。7.2.3.3靜電激勵器在被測頻率上的響應(yīng)級可由式(2)給出：式中：δ;——被測頻率上的響應(yīng)級，單位為分貝(dB);U?——被測頻率上的電壓值，單位為伏(V);U?——在250Hz參考頻率上的電壓值，單位為伏(V)。7.2.3.4依據(jù)實驗室標準傳聲器在被測頻率上的聲壓靈敏度級，以250Hz頻率為參考，計算出相應(yīng)的聲壓響應(yīng)級δ。7.2.3.5靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差可由式(3)給出：式中：δ——靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差，單位為分貝(dB);δ;——靜電激勵器在被測頻率上的響應(yīng)級，單位為分貝(dB);δ?——實驗室標準傳聲器在被測頻率上的聲壓響應(yīng)級，單位為分貝(dB)。7.2.3.6取下被校靜電激勵器，每次旋轉(zhuǎn)約120°角后重新放置(或更換相同型號的實驗室標準傳聲器后重新放置),并按上述7.2.3.1至7.2.3.5重復(fù)兩次，計算出被測頻率上靜電激勵器響應(yīng)級平均值與聲壓響應(yīng)級之差的平均值δ。7.2.3.7靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的一致性可由式(4)給出：式中：△δ——靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的一致性，單位為分貝(dB);δ——每次測量的靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差，單位為分貝(dB);δ,——三次測量的靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的平均值，單位為分8校準結(jié)果表達8.1校準記錄校準記錄應(yīng)盡可能詳盡地記載測量數(shù)據(jù)和計算結(jié)果。8.2校準數(shù)據(jù)處理5所有的數(shù)據(jù)應(yīng)先計算后修約，出具的校準數(shù)據(jù)均修約到小數(shù)點后兩位。8.3校準證書靜電激勵器經(jīng)校準后出具校準證書，校準證書應(yīng)包括的信息及推薦的校準證書內(nèi)頁格式見附錄A。8.4校準結(jié)果的不確定度評定靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差一致性的測量不確定度評定按JJF1059—1999進行，其不確定度評定實例見附錄B。靜電激勵器的復(fù)校時間間隔建議為3年。然而，復(fù)校時間間隔的長短取決于其使用情況，如環(huán)境條件、使用頻率、測量對象等，因此，使用單位可根據(jù)實際使用情況自主6附錄A校準證書的內(nèi)容e)進行校準的地點(如果不在實驗室內(nèi)進行校準);7一、靜電激勵器響應(yīng)的重復(fù)性二、靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的平均值及一致性頻率/Hz靜電激勵器的響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的平均值δ/dB靜電激勵器的響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差的一致性△?;/dB圖A.1校準證書的內(nèi)頁格式8附錄B校準結(jié)果的不確定度評定實例靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級的差值是為獲得被測傳聲器在不同聲場類型中的頻率響應(yīng)提供特定的修正值，靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值的一致性表述了單次測量結(jié)果與測量結(jié)果平均值的偏離，它是對靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值準確性的判定。而靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值的測量不確定度評定則是對其差值一致性的評判，測量不確定度評定結(jié)果一般應(yīng)與差值一致性要求相符。本附錄給出了靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值的不確定度評定實例。B.1數(shù)學模型靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級的差值δ,可由式(B.1)給出：式中：δ——靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級之差，單位為分貝(dB);δ;——靜電激勵器在被測頻率上的響應(yīng)級，單位為分貝(dB);δ——實驗室標準傳聲器在被測頻率上的聲壓響應(yīng)級，單位為分貝(dB)。B.2靈敏系數(shù)u2(δ)=c}u2(δ?)+c≥u2(δr)(B.2)δ,和δn這兩個分量互不相關(guān)，因此式中靈敏系數(shù)c?和c?均為1。B.3A類不確定度的評定B&K4134型傳聲器作為LS1P和LS2P實驗室標準傳聲器，并進行靜電激勵器響應(yīng)級和聲壓響應(yīng)級差值的試驗驗證。表B.1為4144型傳聲器的靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值在1/3倍頻程各個中心頻率點的標準偏差，由于通常耦合腔互易法校準得到的聲壓響應(yīng)級只測量一次，因此兩者響應(yīng)級差值的標準偏差與靜電激勵器響應(yīng)級的標準偏差等同。表B.2為適用于4134型傳聲器的靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值在1/3倍頻程各個中心頻率點的標準偏差。以4144型為實驗室標準傳聲器，在10Hz～10kHz頻率范圍內(nèi)，靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值在1/3倍頻程各個中心頻率點的標準偏差最大值為0.028dB;以4134型為實驗室標準傳聲器，在20Hz～25kHz范圍內(nèi)，靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值的標準偏差最大值為0.060dB。三次測量所得平均值的最大標準偏差分別為0.017dB和0.035dB。因此，對適用于WS1型傳聲器的靜電激勵器，u?=0.017dB,對適用于WS2型傳聲器的靜電激勵器，u?=0.035dB。9表B.14144型傳聲器的靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級的差值的標準偏差頻率δ,標準偏差δ標準偏差8,標準偏差123456一0.001一4.984表B.24134型傳聲器的靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級的差值的標準偏差頻率δ,標準偏差δ.標準偏差δ,標準偏差123456一0.002一0.003一0.006一0.002一0.006一0.013一0.013一0.002一0.002一3.808B.4B類不確定度的評定靜電激勵器響應(yīng)級與聲壓響應(yīng)級差值的B類不確定度包括以下分量：(1)交流信號源的幅頻特性引入的不確定度分量交流信號源包括正弦信號源和交流信號放大器。通過數(shù)字電壓表測量其相對參考頻率250Hz時的幅頻特性并進行修正，修正值的不確定度主要取決于信號源和放大器在測量期間的穩(wěn)定性以及數(shù)字電壓表的測量不確定度，前者穩(wěn)定性優(yōu)于±0.010dB,后者不確定度優(yōu)于0.1%(0.009dB),以均勻分布計算，交流信號源幅頻特性的不確定度分量u?為：u?=√0.0102+0.0092/√3=0.00(2)信號分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)引入的不確定度分量信號分析系統(tǒng)包括前置放大器、測量放大器、1/3倍頻程濾波器和數(shù)字電壓表，或者等效測量儀器。對前置放大器各個頻率點的插入損失通過實際測量進行修正，1/3倍頻程濾波器的不確定度優(yōu)于0.1%(0.009dB),測量放大器輸入端不確定度優(yōu)于0.01%(0.001dB),輸出部分不確定度優(yōu)于0.1%(0.009dB),數(shù)字電壓表在測量頻率范圍內(nèi)1V量程的不確定度優(yōu)于0.1%(0.009dB),信號分析系統(tǒng)的合成不確定度(3)激勵器直流電壓在測量過程中的波動引入的不確定度分量激勵器直流電壓的輸出穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%(0.009dB),每小時內(nèi)的波動不超過0.05%(0.005dB),則激勵器直流電壓的不確定度分量u?為：u?=√0.0092+0.0052/√3=0.006(4)實驗室標準傳聲器的聲壓響應(yīng)級引入的不確定度分量在采用耦合腔互易法校準實驗室標準傳聲器聲壓靈敏度的不確定度評定中，極化電壓、電壓比測量、耦合腔參數(shù)等不確定度分量與參考傳聲器的聲壓響應(yīng)級無關(guān)。因此，結(jié)合我國現(xiàn)有耦合腔互易法聲壓基準的不確定度，實驗室標