高低溫環境下聲傳感器校準技術研究

付強FU Qiang

（中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 引言

目前航空航天等領域試驗條件愈發苛刻，聲傳感器常面臨高溫或低溫測試環境。聲傳感器在此類高低溫環境下，靈敏度將會受到一定影響[1]，而目前校準手段無法反映出這一部分的變化。目前在公開可查的資料中，絕大部分高低溫環境下應用的聲傳感器均在常溫環境下進行校準，在室溫20℃～26℃范圍內，如果聲傳感器靈敏度隨溫度變化系數小于0.017dB/℃，則忽略校準與應用溫度環境不同帶來的誤差[2]。

而在溫度影響情況下，如無法有效地對聲傳感器進行校準，修正聲傳感器靈敏度或輸出結果，則會對聲傳感器的測量結果帶來較大誤差。

高低溫環境下聲傳感器校準技術研究需求較為迫切，該技術對當今高低溫環境噪聲測試的準確性保證具有重要意義。本文即從此需求出發，研究高低溫環境下聲傳感器校準技術，并初步設計了基于比較法的高低溫環境下聲傳感器校準耦合腔，經初步試驗，可以對高低溫環境下聲傳感器進行校準，具有較好的可行性。

1 比較法校準基本原理

由于表面聲傳感器屬于工作聲傳感器，不具有互易性，不能發聲，因此采用有源耦合腔，即腔內存在聲源的方式[4]，使標準聲傳感器與被校準聲傳感器均有輸出，通過比較輸出結果對被校準聲傳感器進行校準，公式[3]為

式中：U0為標準聲傳感器輸出電壓；M0為標準聲傳感器靈敏度；U為被校準聲傳感器輸出電壓；M為被校準聲傳感器靈敏度。

可知，已知標準聲傳感器靈敏度，測得標準聲傳感器與被校準聲傳感器輸出電壓，即可計算被校準聲傳感器靈敏度，但前提是耦合腔內聲場在軸向上均勻分布，標準聲傳感器與被校準聲傳感器測得的是同一聲壓值。

2 溫度對聲傳感器的影響機理

膜片等彈性部位對聲傳感器靈敏度起主要作用。然而，膜片等彈性部位往往受溫度影響較大，比如對于某些彈性材料，高溫容易使其膨脹，低溫容易使其收縮，產生應力，而結構中不同零部件的膨脹或收縮系數又不同，又會產生額外應力，從而直接影響聲傳感器的靈敏度[4]。

以目前最普遍的電容式聲傳感器為例，其開路靈敏度的一般表達式推導簡化后如下[5]：

式中S0為開路靈敏度，U0為極化電壓，r為振膜半徑，D0為兩極板初始間距，T為膜片張力。其中膜片張力與膜片自身彈性模量有關：

式中E為楊氏彈性模量，a為系數，不同的結構設計、預安裝情況等，a均不相同。可知膜片張力與楊氏彈性模量成正比。綜合式（2）與式（3），化簡其中常量，可知電容式聲傳感器開路靈敏度與膜片彈性模量有關：

而根據材料基本物理性能可知，溫度影響膜片的彈性模量，進而影響電容式聲傳感器靈敏度特性，校準裝置設計上需要重點考慮聲傳感器膜片處溫度控制的準確性，而非柵罩外表面。

3 方案實施

3.1 總體設計

其基本原理是在常規耦合腔基礎之上，在耦合腔內部建立高溫與低溫的調溫結構。考慮到本項目溫度跨度相對較大，與室溫相差也較大，通過氣體加熱制冷較為難控制，因此采用了可控性相對較好的液體介質進行溫控，具體高溫采用油液進行加熱，低溫采用酒精進行制冷。如圖1所示。

圖1 低溫比較法耦合腔

3.2 高低溫管路與恒溫槽設計

在常用的加熱介質中，油液是較為常用的一種介質，沸點高，成本低，萬一泄露不易揮發，環保無毒，因此作為加熱介質的首選，然而油液屬于非晶體，隨溫度降低逐漸粘稠，目前最低溫度的油液介質為硅油，極限能滿足-40℃～150℃的溫度，而-40℃剛好為本項目溫度范圍下限，考慮到管路溫度損失等因素，在-40℃極限點上不容易準確控制硅油溫度，因此需要備選一款低溫制冷介質，如果硅油不能滿足要求，則使用該低溫制冷介質供-40℃附近使用。

常用的低溫制冷媒介主要有酒精與氟化物，如g期氟利昂以及現在的R32等冷媒。考慮到成本與環保性，首選酒精，其缺點為易燃，然而如R32等氟化物也可燃，且燃燒氣體有毒，綜合考慮并不如酒精，因此酒精為首選，氟化物為其次。

高低溫管路根據經驗選取內徑約5mm，壁厚約0.5mm可滿足需求。

管路內介質流動按照極限40ml/s計算（約為1/4管路容積），油液密度不超過0.95g/cm3，可得總質量約為38g。則極限情況下，從室溫20℃在1s內升溫至100℃，油液比熱一般為2.14J/g℃，則最大實際加熱功率為2.14×38×80=6505W。酒精計算過程相同，不再重復，可得制冷功率約為4000W。以上為加熱制冷功率極限值，滿足此功率則能夠滿足需求。

恒溫槽具體工作原理與結構如圖2所示。恒溫槽利用金屬殼板隔離出攪拌區，介質的加熱與制冷都在攪拌區攪拌區內完成，加熱與制冷如上所述，高溫采用電阻絲加熱，低溫采用壓縮機制冷，攪拌電機在工作期間不停進行攪拌，來保證攪拌區內介質加熱制冷均勻，并使恒溫槽內介質遵循箭頭方向做定向流動。恒溫槽對外界循環則采用循環泵作為流動動力，向外界第二溫場，即耦合腔提供恒溫介質。恒溫槽內介質通過反饋溫度計進行溫度控制。

圖2 恒溫槽設計原理

3.3 耦合腔設計

其基本設計思路為溫場與聲場各自成為獨立封閉空間，盡量避免溫場對聲場帶來較大干擾。高低溫耦合腔的3D結構設計方案如圖3所示。

圖3 高低溫耦合腔3D結構設計方案

主要部件結構分解如圖4所示，第二溫場為耦合腔頂部的外恒溫槽，為封閉結構，頂端設計介質進口與介質出口，以及聲傳感器插口。聲學腔體為耦合腔下半部分，即耦合腔主體，分為耦合腔上蓋，耦合腔下半腔與聲源。其中耦合腔上蓋負責與外恒溫槽配合；耦合腔下半腔負責提供封閉的聲場環境，聲源則提供校準聲場。

圖4 高低溫耦合腔主要部件結構分解

對外恒溫槽進行更為細化的結構分解，如圖5所示，可分為恒溫槽上蓋與恒溫槽槽體。恒溫槽上蓋上共有兩對接口，分別負責與高低溫介質管路以及聲傳感器對接。恒溫槽槽體本身為圓盤形小腔體，容納高低溫介質，為聲傳感器提供高低溫環境，其中設計了聲傳感器插槽，由圖5可見，當恒溫槽上蓋與恒溫槽槽體密封結合后，高低溫介質管路接口仍與槽體內腔相同，從而使介質能夠循環流動，但聲傳感器插槽與聲傳感器接口配合后，則徹底與槽體內腔隔斷，進而保證聲傳感器與介質隔斷，通過聲傳感器插槽的壁面導熱來調節聲傳感器溫度，從而避免介質對聲傳感器造成損壞。而此外，當恒溫槽上蓋與恒溫槽槽體密封結合后，對耦合腔內腔也徹底隔斷，同樣避免介質對聲源造成損壞。且恒溫槽槽體底面設計尺寸較厚，也可以有效降低溫場對耦合腔內聲場的影響。

圖5 恒溫槽結構分解

綜上所述，恒溫槽通過管路與第二恒溫槽形成內部循環，持續提供恒溫介質，通過聲傳感器插槽的壁面為聲傳感器提供高低溫環境。而與之隔離的耦合腔內則由聲源提供聲場環境，從而對聲傳感器進行高低溫環境下的聲學校準。

4 試驗驗證

4.1 溫度試驗

環境條件：室溫：20±5℃；濕度：不大于85%RH。

儀器設備：鉑電阻：1支，用于溫度測量；溫度范圍：-73℃～260℃；測溫誤差：±2℃。

溫度采集系統：1套，用于溫度采集與顯示；型號：34461A；精度：6位半。

試驗設定若干溫度點點位，溫控采用現有的PID控制模塊，一段時間內記錄了耦合腔聲傳感器插槽內約膜片位置的的升降溫與溫度保持情況，如表1所示。

表1 溫度試驗

可見本文方法可以建立一個穩定的高低溫耦合腔環境，溫控范圍可以達到-40℃～100℃，溫控精度可以控制在±1℃以內，能夠供聲傳感器進行校準試驗。

4.2 耦合腔比較法校準試驗

環境條件：室溫：20±5℃；濕度：不大于85%RH。儀器設備：參考聲傳感器：B&K 4189，已知溫度靈敏度（用戶手冊），用于比較法中的參考聲傳感器；被校準聲傳感器：聲望MPA201，假設未知溫度靈敏度（實際已知，廠商提供修正系數）。采集卡：1套，用于聲信號采集；型號：NI 9234；采樣率：51.2kHz。試驗選用250Hz參考頻率點作為試驗頻率，溫度范圍-10℃～50℃（-10℃以下、50℃以上暫時缺乏參考對象或數據，不能判斷其有效性），記錄被校準聲傳感器實際校準獲得的靈敏度，以及根據廠商建議修正系數計算的理論靈敏度，如表2所示。

表2 耦合腔比較法校準試驗

繪制成曲線如圖6所示。

圖6 耦合腔比較法校準試驗

可見，本文方法可以較為有效地對聲傳感器的高低溫環境下靈敏度進行校準，參考理論靈敏度，定性方面能夠反映出聲傳感器靈敏度隨溫度變化的正確趨勢，定量方面，以目前溫度范圍，實校值與理論值偏差[6]不超過0.5%，可以驗證其可行性與有效性。

5 結論

本文研究一種高低溫環境下聲傳感器比較法校準技術，從聲傳感器受溫度影響的機理入手，設計了高低溫耦合腔及配套管路、恒溫槽等，在保證物理隔斷的情況下，利用流動高低溫介質對聲傳感器進行溫度控制，從而使聲傳感器可以在高低溫環境下校準。本文通過溫度試驗，驗證了本文方法可以建立一個穩定的高低溫耦合腔環境，溫控范圍可以達到-40℃～100℃，溫控精度可以控制在±1℃以內，能夠供聲傳感器進行校準試驗。通過耦合腔比較法校準試驗，驗證了本文方法可以較為有效地對聲傳感器的高低溫環境下靈敏度進行校準，參考理論靈敏度。本文實校靈敏度定性趨勢一致，定量偏差不超過0.5%，具有可行性與有效性。未來工作進一步研究高低溫環境下的耦合腔互易法，向上打通溯源鏈，使量值溯源有據，同時獲得溫度范圍更寬、數值上更為準確的參考值，為高低溫聲傳感器提供更可靠的校準數據，從而進一步保障高低溫環境下噪聲測試的準確性。