淺談噪聲變送器校準(zhǔn)中存在的問題

【摘要】 分析了噪聲變送器校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意的一些問題，提供了一種噪聲變送器電流-聲壓級(jí)系統(tǒng)靈敏度的校準(zhǔn)方法，為噪聲變送器的準(zhǔn)確校準(zhǔn)提供參考和一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 噪聲變送器;系統(tǒng)靈敏度;電流輸出

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.03.023

Discussion on the Calibration Problems of Acoustics Transducer

WEI Wei-li

（Liaoning Provincial Institute of Measurement，Shenyang 110004，China）

Abstract： This paper analyzed the calibration problems of acoustics transducer，and provided a calibration method for the current-sound pressure level system sensitivity of acoustics transducer，which provided reference and certain technical basis for accurate calibration of acoustics transducer.

Key words： acoustics transducer;system sensitivity;current output

變送器是一種將不同物理量的測(cè)試信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電流信號(hào)的換能設(shè)備，通常由測(cè)量傳感器和精密測(cè)量電路（放大器和適配器）組成。變送器的輸入信號(hào)，可以是溫度、壓力、振動(dòng)和噪聲等。根據(jù)被采集信號(hào)的物理特性，變送器可以是溫度變送器、壓力變送器、振動(dòng)變送器和噪聲變送器。變送器根據(jù)IEC過程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，將采集到的信號(hào)壓縮轉(zhuǎn)換為（4～20） mA直流電流輸出，直接連接到二次儀表、計(jì)算機(jī)采樣設(shè)備和工業(yè)PLC（Programmable Logic Controller）模塊中，實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)的采集和處理。噪聲變送器就是一種將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電流信號(hào)的換能設(shè)備。

變送器由于其信號(hào)輸出始終為（4～20） mA的標(biāo)準(zhǔn)直流電流輸出，因此具有良好的通用性和互換性;同時(shí)電流信號(hào)在進(jìn)行信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，與電壓信號(hào)傳輸相比，可有效減小信號(hào)衰減和壓降問題，同時(shí)直流電流信號(hào)干擾噪聲小，信號(hào)失真更小，傳輸更準(zhǔn)確。

鑒于變送器的以上特點(diǎn)，各類變送器的應(yīng)用已十分廣泛。溫度變送器和壓力變送器已經(jīng)大量應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，檢定和校準(zhǔn)方法已發(fā)布實(shí)施，技術(shù)相對(duì)成熟;振動(dòng)變送器和噪聲變送器近幾年的工業(yè)應(yīng)用呈逐年增多趨勢(shì)，但尚無針對(duì)該類變送器現(xiàn)行有效的校準(zhǔn)規(guī)范或檢定規(guī)程實(shí)施發(fā)布。目前振動(dòng)變送器校準(zhǔn)規(guī)范已由國家市場監(jiān)督管理總局立項(xiàng)，制訂工作正在進(jìn)行，而噪聲變送器暫無明確的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)規(guī)范制訂計(jì)劃，噪聲變送器的校準(zhǔn)問題亟待解決。

本文在此基礎(chǔ)上，對(duì)一種噪聲變送器校準(zhǔn)存在的問題進(jìn)行分析，提出了一種噪聲變送器校準(zhǔn)方法，通過測(cè)量噪聲變送器的電流-聲壓級(jí)系統(tǒng)靈敏度（以下簡稱系統(tǒng)靈敏度），分析不同頻率下噪聲變送器的電流-聲壓級(jí)系統(tǒng)靈敏度的頻率響應(yīng)，對(duì)噪聲變送器的計(jì)量特性進(jìn)行符合性分析，為噪聲變送器的校準(zhǔn)提供思路和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 校準(zhǔn)需求

通常情況下，噪聲變送器的校準(zhǔn)都與二次儀表配套組成噪聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，或串聯(lián)250 Ω電阻后間接測(cè)量電壓量進(jìn)行校準(zhǔn)。但實(shí)際情況是，與噪聲變送器配套的二次儀表或工業(yè)化模塊往往集成在工作現(xiàn)場，不方便拆卸送檢，用戶往往單獨(dú)送檢噪聲變送器，要求直接對(duì)噪聲變送器的計(jì)量特性進(jìn)行校準(zhǔn)。因此在不同頻率不同聲信號(hào)激勵(lì)下的電流輸出特性進(jìn)行校準(zhǔn)，更符合用戶的實(shí)際使用需求，同時(shí)直接測(cè)量的校準(zhǔn)方式減少了測(cè)量過程中的不確定度影響因素，有效提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

2 噪聲變送器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

噪聲變送器采集到的是空氣噪聲，其輸入?yún)⒘繛槁晧杭?jí)，其輸出參量為直流電流，范圍為（4～20） mA。

由于聲信號(hào)的量程范圍和聲壓級(jí)的加權(quán)計(jì)算各不相同，但無論聲信號(hào)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如何變化，經(jīng)放大器和適配器等后續(xù)電路處理后的輸出電流都為（4～20） mA，這就導(dǎo)致在研究噪聲變送器的電流輸出特性時(shí)，其輸出除以輸入的系統(tǒng)靈敏度的名義值不盡相同。因此在對(duì)噪聲變送器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)充分考慮噪聲變送器不同量程、不同頻率計(jì)權(quán)的設(shè)計(jì)要求。

3 校準(zhǔn)參數(shù)的選擇

通常情況下，描述現(xiàn)有聲學(xué)傳聲器靈敏度特性的參量為開路聲壓靈敏度（單位為mV/Pa）或開路聲壓靈敏度級(jí)（單位為dB，1V/Pa）。本文研究的噪聲變送器，并不是一種傳聲器，而是一個(gè)由傳聲器或麥克風(fēng)、前置放大器和適配器組成的一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)輸入為聲壓級(jí)（單位為dB，20 μPa），輸出為直流電流（單位為mA）。噪聲變送器的校準(zhǔn)參數(shù)應(yīng)是這個(gè)系統(tǒng)的輸出除以輸入得到這一測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)靈敏度（根據(jù)系統(tǒng)靈敏度的定義：測(cè)量系統(tǒng)的示值變化除以相應(yīng)的被測(cè)量值變化所得的商）;要研究的內(nèi)容是噪聲變送器的系統(tǒng)靈敏度在不同頻率下的頻率響應(yīng)特性，即這個(gè)系統(tǒng)在不同頻率下是否能保證輸出/輸入呈線性變化，這個(gè)系統(tǒng)靈敏度就是這個(gè)線性曲線的斜率。因此噪聲變送器的校準(zhǔn)并不是要研究傳聲器本身的靈敏度特性，所做的測(cè)量工作也不是在開路情況下獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)。

噪聲變送器電流-聲壓級(jí)系統(tǒng)靈敏度的特性除了傳聲器的特性影響外，所選參數(shù)最關(guān)鍵的影響因素在適配器。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)，噪聲變送器無論它的聲壓級(jí)輸入在什么范圍，或進(jìn)行什么樣的加權(quán)計(jì)算，它的輸出都需要轉(zhuǎn)換為（4～20） mA，就是說不同的設(shè)計(jì)聲壓級(jí)測(cè)量范圍和頻率計(jì)權(quán)的變化，都直接影響系統(tǒng)靈敏度的數(shù)值，本文研究的噪聲變送器就是規(guī)定了具體的參數(shù)范圍（測(cè)量范圍（20～8000） Hz，電流輸出范圍（4～20） mA，設(shè)計(jì)聲壓級(jí)量程為（0～130） dB，設(shè)計(jì)頻率計(jì)權(quán)為A計(jì)權(quán)），因此它的名義系統(tǒng)靈敏度根據(jù)定義為s=（20-4）/（130-0）=0.1231 mA/dB;若設(shè)計(jì)聲壓級(jí)量程變?yōu)椋?～100） dB，電流輸出范圍仍是（4～20） mA，則此時(shí)的名義系統(tǒng)靈敏度根據(jù)定義為s=（20-4）/（100-0）=0.160 mA/dB;如果設(shè)計(jì)的頻率計(jì)權(quán)由A改為C計(jì)權(quán)，計(jì)算得到的名義系統(tǒng)靈敏度也會(huì)發(fā)生變化，而傳聲器的開路聲壓靈敏度是傳聲器本身的計(jì)量特性，由傳聲器的結(jié)構(gòu)、換能原理等決定，其名義值不應(yīng)根據(jù)計(jì)算不同而發(fā)生改變。因此噪聲變送器的校準(zhǔn)參數(shù)應(yīng)與傳聲器的開路聲壓靈敏度有所區(qū)別。

4 系統(tǒng)靈敏度的量綱

根據(jù)噪聲變送器電流-聲壓級(jí)系統(tǒng)靈敏度的定義，系統(tǒng)靈敏度的量綱應(yīng)為“mA/dB”，參考為20 μPa。需注意的是若噪聲變送器系統(tǒng)靈敏度的量綱換為“mA/Pa”，與傳聲器的靈敏度形式上保持一致，是不適當(dāng)?shù)模鶕?jù)空氣聲聲壓級(jí)的定義，對(duì)噪聲變送器電流-聲壓級(jí)系統(tǒng)靈敏度在不同頻率下進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1看出，若采用mA/Pa的形式進(jìn)行分析，實(shí)際上其在不同頻率下的電流輸出聲壓靈敏度并不是相同的，也就是這種噪聲變送器系統(tǒng)其聲壓級(jí)輸入和電流輸出并不是線性輸出，無法進(jìn)行不同頻率下系統(tǒng)靈敏度的線性度分析?；蛘哒f這種系統(tǒng)在特定的情況下，電流輸出與聲壓級(jí)成正比，與聲壓不成線性變化。

5 系統(tǒng)靈敏度的符合性分析

噪聲變送器電流輸出的頻率響應(yīng)特性通常按照IEC 61672-1《電聲學(xué)聲級(jí)計(jì)第1部分：規(guī)范》中的1級(jí)或2級(jí)允差要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其電流-聲壓級(jí)系統(tǒng)靈敏度的頻率響應(yīng)特性可參考JJG 175-2015《工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器（靜電激勵(lì)器法）》中對(duì)應(yīng)型式給出的頻率響應(yīng)極限值進(jìn)行符合性分析。

IEC 61672-1于2013年修訂后，聲級(jí)計(jì)檢定規(guī)程和聲級(jí)計(jì)型式評(píng)價(jià)大綱已全面修訂，新規(guī)程修改了各計(jì)量特性的“接受限”，不再使用“允差”，并且各準(zhǔn)確度等級(jí)聲級(jí)計(jì)對(duì)應(yīng)的接受限修改的更為嚴(yán)格，合格判定修改為不超過接受限，同時(shí)測(cè)量不確定度不超過附錄A中的最大允許測(cè)量不確定度。因此對(duì)噪聲變送器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)充分考慮被校準(zhǔn)的噪聲變送器是按哪個(gè)版本的允許誤差進(jìn)行設(shè)計(jì)的，如文中進(jìn)行校準(zhǔn)的TR-SLT1A4型噪聲變送器，屬于按舊標(biāo)準(zhǔn)中2級(jí)允差設(shè)計(jì)的噪聲變送器，為保證其頻率響應(yīng)特性評(píng)價(jià)的一致性，仍采用舊版標(biāo)準(zhǔn)中給出的允差要求進(jìn)行符合性分析。

6 結(jié)論

分析了噪聲變送器在校準(zhǔn)和符合性分析中應(yīng)注意的一些問題，提出了一種通過測(cè)量噪聲變送器的電流-聲壓級(jí)系統(tǒng)靈敏度頻率響應(yīng)對(duì)噪聲變送器電流輸出特性進(jìn)行分析的校準(zhǔn)思路，為噪聲變送器的準(zhǔn)確校準(zhǔn)提供參考和一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

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【作者簡介】

魏偉力（1983-），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)槁晫W(xué)振動(dòng)計(jì)量。