淺談噪聲變送器校準中存在的問題

【摘要】 分析了噪聲變送器校準時應注意的一些問題，提供了一種噪聲變送器電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的校準方法，為噪聲變送器的準確校準提供參考和一定的技術基礎。

【關鍵詞】 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試信號轉換為直流電流信號的換能設備，通常由測量傳感器和精密測量電路（放大器和適配器）組成。變送器的輸入信號，可以是溫度、壓力、振動和噪聲等。根據(jù)被采集信號的物理特性，變送器可以是溫度變送器、壓力變送器、振動變送器和噪聲變送器。變送器根據(jù)IEC過程控制系統(tǒng)用模擬信號標準，將采集到的信號壓縮轉換為（4～20） mA直流電流輸出，直接連接到二次儀表、計算機采樣設備和工業(yè)PLC（Programmable Logic Controller）模塊中，實現(xiàn)各類信號的采集和處理。噪聲變送器就是一種將聲信號轉換為直流電流信號的換能設備。

變送器由于其信號輸出始終為（4～20） mA的標準直流電流輸出，因此具有良好的通用性和互換性;同時電流信號在進行信號遠距離傳輸時，與電壓信號傳輸相比，可有效減小信號衰減和壓降問題，同時直流電流信號干擾噪聲小，信號失真更小，傳輸更準確。

鑒于變送器的以上特點，各類變送器的應用已十分廣泛。溫度變送器和壓力變送器已經大量應用于工業(yè)測量和監(jiān)測領域，檢定和校準方法已發(fā)布實施，技術相對成熟;振動變送器和噪聲變送器近幾年的工業(yè)應用呈逐年增多趨勢，但尚無針對該類變送器現(xiàn)行有效的校準規(guī)范或檢定規(guī)程實施發(fā)布。目前振動變送器校準規(guī)范已由國家市場監(jiān)督管理總局立項，制訂工作正在進行，而噪聲變送器暫無明確的校準方法和校準規(guī)范制訂計劃，噪聲變送器的校準問題亟待解決。

本文在此基礎上，對一種噪聲變送器校準存在的問題進行分析，提出了一種噪聲變送器校準方法，通過測量噪聲變送器的電流-聲壓級系統(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-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的頻率響應，對噪聲變送器的計量特性進行符合性分析，為噪聲變送器的校準提供思路和技術基礎。

1 校準需求

通常情況下，噪聲變送器的校準都與二次儀表配套組成噪聲測量系統(tǒng)進行系統(tǒng)校準，或串聯(lián)250 Ω電阻后間接測量電壓量進行校準。但實際情況是，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，用戶往往單獨送檢噪聲變送器，要求直接對噪聲變送器的計量特性進行校準。因此在不同頻率不同聲信號激勵下的電流輸出特性進行校準，更符合用戶的實際使用需求，同時直接測量的校準方式減少了測量過程中的不確定度影響因素，有效提高測量準確度。

2 噪聲變送器的設計特點

噪聲變送器采集到的是空氣噪聲，其輸入參量為聲壓級，其輸出參量為直流電流，范圍為（4～20） mA。

由于聲信號的量程范圍和聲壓級的加權計算各不相同，但無論聲信號的設計指標如何變化，經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，這就導致在研究噪聲變送器的電流輸出特性時，其輸出除以輸入的系統(tǒng)靈敏度的名義值不盡相同。因此在對噪聲變送器進行校準時，應充分考慮噪聲變送器不同量程、不同頻率計權的設計要求。

3 校準參數(shù)的選擇

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

噪聲變送器電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的特性除了傳聲器的特性影響外，所選參數(shù)最關鍵的影響因素在適配器。根據(jù)應用領域的特點，噪聲變送器無論它的聲壓級輸入在什么范圍，或進行什么樣的加權計算，它的輸出都需要轉換為（4～20） mA，就是說不同的設計聲壓級測量范圍和頻率計權的變化，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（測量范圍（20～8000） Hz，電流輸出范圍（4～20） mA，設計聲壓級量程為（0～130） dB，設計頻率計權為A計權），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;若設計聲壓級量程變?yōu)椋?～100） dB，電流輸出范圍仍是（4～20） mA，則此時的名義系統(tǒng)靈敏度根據(jù)定義為s=（20-4）/（100-0）=0.160 mA/dB;如果設計的頻率計權由A改為C計權，計算得到的名義系統(tǒng)靈敏度也會發(fā)生變化，而傳聲器的開路聲壓靈敏度是傳聲器本身的計量特性，由傳聲器的結構、換能原理等決定，其名義值不應根據(jù)計算不同而發(fā)生改變。因此噪聲變送器的校準參數(shù)應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-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的定義，系統(tǒng)靈敏度的量綱應為“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?shù)模鶕?jù)空氣聲聲壓級的定義，對噪聲變送器電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度在不同頻率下進行計算，數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1看出，若采用mA/Pa的形式進行分析，實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)其聲壓級輸入和電流輸出并不是線性輸出，無法進行不同頻率下系統(tǒng)靈敏度的線性度分析。或者說這種系統(tǒng)在特定的情況下，電流輸出與聲壓級成正比，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特性通常按照IEC 61672-1《電聲學聲級計第1部分：規(guī)范》中的1級或2級允差要求進行設計，其電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度的頻率響應特性可參考JJG 175-2015《工作標準傳聲器（靜電激勵器法）》中對應型式給出的頻率響應極限值進行符合性分析。

IEC 61672-1于2013年修訂后，聲級計檢定規(guī)程和聲級計型式評價大綱已全面修訂，新規(guī)程修改了各計量特性的“接受限”，不再使用“允差”，并且各準確度等級聲級計對應的接受限修改的更為嚴格，合格判定修改為不超過接受限，同時測量不確定度不超過附錄A中的最大允許測量不確定度。因此對噪聲變送器進行校準時，應充分考慮被校準的噪聲變送器是按哪個版本的允許誤差進行設計的，如文中進行校準的TR-SLT1A4型噪聲變送器，屬于按舊標準中2級允差設計的噪聲變送器，為保證其頻率響應特性評價的一致性，仍采用舊版標準中給出的允差要求進行符合性分析。

6 結論

分析了噪聲變送器在校準和符合性分析中應注意的一些問題，提出了一種通過測量噪聲變送器的電流-聲壓級系統(tǒng)靈敏度頻率響應對噪聲變送器電流輸出特性進行分析的校準思路，為噪聲變送器的準確校準提供參考和一定的技術基礎。

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【作者簡介】

魏偉力（1983-），男，工程師，碩士，研究方向為聲學振動計量。