Градуировка электроакустических преобразователей с помощью пистонфона

Измерительная установка «Пистонфон» (далее «Пистонфон») служит, в первую очередь, для калибровки измерительных микрофонов, а также для калибровки шумомеров вместе с микрофоном. Метод пистонфона является наиболее распространенным методом градуировки акустических преобразователей в инфразвуковом диапазоне частот.

Пистонфон представляет собой толстостенную камеру объемом V₀ (с номинальными объемами 1000, 200 и 10 см³) и с поперечными размерами много меньше длины волны (рис. 6). На рисунке показаны:

• 1 — градуируемый микрофон;
• 2 — камера пистонфона;
• 3 — поршень;
• 4 — микроскоп;
• 5 — вибратор (например, электромеханический);
• 6 — милливольтметр.

В камере перемещается по гармоническому закону с амплитудой X_m поршень 3 площадью S, вытесняющий из объема V₀ камеры 2 переменный объем, равный S? X_m. Он приводится в движение, например, кривошипным механизмом. Амплитуду колебаний поршня измеряют измерительным микроскопом.

В идеальном случае, когда стенки камеры и мембраны приемника жесткие, акустическое давление в камере P_m находят из соотношения:

P_m = г К Р₀ (S?X_m / V₀),.

где г = С_р /С_V — отношение удельных теплоемкостей, Р_о — давление в камере до начала перемещения поршня.

Практически, из-за наличия гибкости стенок и приемника (особенно при градуировке с заполненным водой объемом) результирующая гибкость камеры получается намного больше расчетной.

Систематические погрешности, возникающие при градуировке акустических преобразователей методом пистонфона, обусловлены еще и тем, что во время колебаний поршня охлаждается и нагревается рабочий объем за счет теплопроводности стенок. Иными словами, процесс сжатия растяжения не адиабатичен. Для исключения этой систематической погрешности в формулу вводят термодинамическую поправку К (0,75?К?1), рассчитываемую теоретически для некоторых простейших геометрических форм камер.

Основными источниками погрешностей метода являются:

• 1) ошибки определения площади поршня по его геометрическим размерам;
• 2) ошибки отсчета «размаха» колебания поршня;
• 3) ошибки измерения объема камеры;
• 4) ошибки измерения статического давления;
• 5) ошибки определения г в зависимости от внешних условий (изменения давления, влажности и температуры);
• 6) приближенное определение термодинамической поправки.

Диапазон значений звукового давления, воспроизводимых установкой «Пистонфон», составляет 2…80 Па в диапазоне частот 2 Гц…115 Гц. Она обеспечивает единицы звукового давления со средним квадратическим отклонением (СКО) результата измерений (S_o) не превышающим 0,03 дБ при не исключенной систематической погрешности (_о), не превышающей 0,1 дБ.

Пистонфон PF 101. Пистонфон PF 101, модель 3, представляет собой маленький, питаемый от батареи, высокоточный источник звука для быстрой и точной калибровки микрофонов.

Благодаря энергоснабжению от батарей пистонфон не зависит от внешних источников питания и может быть применён с успехом как в лаборатории, так и на открытом воздухе. Использование переходников позволяет проводить калибровку микрофонов различных размеров.

Принцип действия. Маленький, малошумный электродвигатель с центробежным регулятором, поддерживающим число оборотов в определённых пределах независимо от напряжения батареи, служит в качестве привода кулачкового диска.

Два маленьких, симметрично расположенных и однофазно управляемых кулачковым диском поршня создают в напорной полости синусоидальные колебания давления, частота которых составляет примерно 180 Гц. Размеры пистонфона подобраны таким образом, что при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. он создаёт звуковой уровень, равный 118 дБ. Найденный Уровень звукового давления индивидуально для каждого экземпляра приводится в Протоколе испытания Пистанфона.

При отклонениях от атмосферного давления от 760 мм рт. ст. сила звука изменяется. Величины необходимой коррекции могут быть отсчитаны непосредственно в децибелах на шкале принадлежащего к комплектности барометра. Относительная влажность воздуха до 90% не влияет на звуковое давление.

Описание механической конструкции. Пистонфон состоит из трёх частей, привинченных друг к другу и создавая, таким образом, одно целое.

Круглое отверстие на лобовой стороне пистонфона PF 101 служит для сопряжения микрофона с находящейся за отверстием напорной камерой. Заложенное в стенке сверления герметизирующее резиновое кольцо предназначено для обеспечения в этом месте при вставленном микрофоне воздухонерпоницаемого отделения напорной камеры от окружающей среды.

Боковое сверление в стенке напорной камеры служит для статистической компенсации давления воздуха.

На лобовой стороне корпуса мотора находится маленький цилиндр, в котором сделаны два сверления, смещённые на 180⁰. Они служат как ведущие для двух маленьких, точно припасованных поршней. Эти поршни прижимаются пружинкой к контуру кулачкового диска, закреплённого на выводе валика высокоточного мотора.

На противоположной лобовой поверхности контактирующий элемент создаёт соединение с батарейной коробкой, в которой размещены последовательно подключённых элементов по 1,5 вольта каждый. Элементы питают центробежный регулируемый двигатель при посредстве транзистора TS 1. Последний вместе с резистором W 1 и конденсатором С 1 создаёт схему управления мотором.

Включение мотора осуществляется выключателем, помещённом на корпусе.

Подготовка пистонфона к работе. Перед каждым измерением следует проверить напряжения батарейного комплекта. Для этого при включённом состоянии (красная точка видна) нажимается коротко выключатель «Batteriespannungskontrolle» (контроль напряжения батареи). В случае безупречных элементов слышно отчётливое увеличение высоты тона пистонфона. Если такой переход отсутствует, необходимо сменить батарейных комплект.

После этого измерительный микрофон засовывается в пистонфон до ощутимого упора. Следить нужно за тем, чтобы оси пистонфона и микрофона находились на одной прямой и чтобы оба прибора были легко прижаты друг к другу в течении измерительной операции.

Во избежание перекоса корпусов обоих приборов и тем самым дополнительных погрешностей, пистонфон должен по возможности работать в вертикальном положении.

Микрофоны других диаметров могут быть приспособлены к пистонфону PF 101 при помощи специально заготовленных переходников. При применении последних необходима коррекция создаваемого уровня звукового давления, обусловленная изменением объёма напорной камеры, если такое изменение превышает 0,4 см³.

В связи с тем, что создаваемый пистонфоном не приведенный сигнал около 118 дБ относится к атмосферному давлению в 760 мм рт. ст., следует сначала определить, какое звуковое давление подаёт пистонфон при господствующих в точке измерения атмосферных условиях. Звуковое давление получается как сумма должного значения (указанного в протоколе испытания) и значения (с учётом знака), отсчитанного на внешней, откалиброванной в децибелах шкале барометра (принадлежит к комплектности). Перед отсчётом нужно легко постучать в стёклышко отсчетного устройства барометра.

Пример. На внешней шкале стрелка барометра указывает 0,4 дБ. Наводимый пистонфоном звуковой уровень при должном значении 118,0 дБ и атмосферном давлении 726 мм рт. ст. составляет 118,0 дБ 0,3 дБ — 0,4 дБ = 117,6 дБ 0,3 дБ Измерение коэффициента преобразования измерительных микрофонов. Для измерения коэффициента преобразования измерительного микрофона к его выходу (в случае конденсаторных микрофонов к выходу преобразователя импеданса) подключают милливольтметр, входное сопротивление которого велико по сравнению с внутренним сопротивлением со стороны выхода микрофонного усилителя. Затем включают пистонфон и записывают отсчитанное на милливольтметре напряжение.

Напряжение на милливольтметре U делённое на звуковое давление, создаваемое пистонфоном Р, представляет собой коэффициент преобразования Е для частоты пистонфона исследуемого микрофона (с учётом действия предварительного усилителя).

Е = U / P.

Следует принимать во внимание, что помимо погрешности микрофона в общую погрешность калибровки входят погрешности милливольтметра и измерительного усилителя.