Градуировка электроакустических преобразователей методом взаимности

Наиболее распространённым и универсальным методом градуировки электроакустических преобразователей звука в настоящее время является метод взаимности.

Принцип взаимности может быть сформулирован в следующей виде: чувствительности любого линейного обратимого преобразователя в режиме излучения и приема связаны между собой постоянным соотношением, называемым коэффициентом взаимности.

Чувствительностью электроакустического преобразователя в режиме излучения называется отношение звукового давления, создаваемого им на расстоянии r, к электрическому току, протекающему через преобразователь.

Чувствительность преобразователя в режиме приёма — это отношение электродвижущей силы, развиваемой преобразователем, к звуковому давлению, действующему в месте его расположения.

Коэффициент взаимности определяется главным образом характером акустического поля, создаваемого преобразователем в режиме излучения.

С помощью метода взаимности градуируют образцовые преобразователи звука и контролируют чувствительность рабочих преобразователей звука. Он может применяться в широком диапазоне частот в виде различных вариантов, при которых используются различные приемы и техника измерений.

На низких звуковых частотах в воздухе и в воде используется метод взаимности, разработанный для камеры малого объема.

Метод градуировки преобразователей в условиях свободного поля. Испытуемый приёмник может быть необратимым, поэтому в качестве излучателя его использовать нельзя.

Прибор градуируют в три этапа.

На первом этапе вспомогательный источник звука (рис. 1) создаёт в месте расположения испытуемого приёмника звука звуковое давление p, вызывающее напряжение U₁ на выходе приёмника звука. Измеряется значение U₁.

На втором этапе режим работы вспомогательного источника звука не изменяют, а приёмник звука заменяют обратимым преобразователем, работающим в режиме приёма. При этом на выходных зажимах обратимого преобразователя измеряется напряжение U₂.

По существу первые два этапа измерений — это сравнение чувствительности двух приёмников звука, так как отношение U₁ / U₂ при равном давлении на приёмниках звука — это отношение их чувствительностей Е₁ / Е₂.

На третьем этапе измерений обратимый преобразователь используют в режиме излучения. Возбуждаемый током I, он создаёт в месте расположения испытуемого приёмника звука на расстоянии r от своего акустического центра давление p₁, вызывающее напряжение U₃ на выходе испытуемого приёмника. Измеряется ток I, напряжение U₃ и расстояние r.

Чувствительность испытуемого приёмника звука Е₂ определяют по формуле Е₂ = [(U₁ U₃ / U₂ I) H]^½

По результатам описанных измерений кроме чувствительности испытуемого приемника может быть найдена чувствительность обратимого преобразователя в режиме излучения и приема.

Аналогично описанному градуируют источники звука.

Обязательным условием выполнения градуировки является необходимость обеспечения линейности всего измерительного тракта, включая и обратимый преобразователь.

Камеры малого объёма. Используются для градуировки акустических преобразователей, например микрофонов, методом взаимности. Обычно она представляет собой цилиндрическую камеру с достаточно жесткими стенками и малой высоты по сравнению с длиной звуковой волны. Камеры малого объема для звукового диапазона частот имеют объем от 2 до 45 см³.

К двум торцам камеры присоединяют попеременно то вспомогательный излучатель и испытуемый микрофон, то вспомогательный излучатель и обратимый преобразователь, то обратимый преобразователь и испытуемый микрофон. Испытуемый микрофон, вспомогательный излучатель и обратимый преобразователь вставляют в соответствующие оправки в торцах камеры так, что их мембраны по существу составляют часть крышек камеры.

Типовая камера имеет диаметр 42,8 и высоту 12,5 мм. При заполнении камеры воздухом можно осуществить градуировку микрофонов до 5000 Гц. При заполнении водородом допустимая частота возрастает до 18 000 Гц.

При измерениях в камерах малого объема среднее квадратическое отклонение (СКО) результата измерений (S_o) не превышает 0,1…0,3 дБ в диапазоне частот 20 Гц…10 кГц, при не исключенной систематической погрешности (_о) 0,1…0,2 дБ. Измерения проводятся при звуковых давлениях 0,05…2 Па.

Серьезным недостатком градуировки с помощью камеры малого объема является необходимость многократной перестановки преобразователей звука и связанные с этим дополнительные погрешности.

Разработанная А. Н. Ривиным конструкция камеры позволяет градуировать преобразователи, не переставляя их, а только переключая элементы измерительной схемы.

Обратимые электроакустические преобразователи. При акустических измерениях часто необходимо использовать один и тот же электроакустический преобразователь как в режиме приема, так и в режиме излучения. Это обязательно при градуировке методом взаимности, а также при измерениях, производимых импульсными, реверберационными и тому подобными методами.

Условие обратимости проверяется следующим образом. Однотипные преобразователи 1 и 2 устанавливают в свободном поле на расстоянии 20 см друг от друга. Сначала на преобразователь 1 подается ток I₁, а на выходе преобразователя 2 измеряется напряжение U₂ (рис. 2).

Рис. 2. Проверка условия обратимости

Затем через преобразователь 2 пропускается ток I₂, а на выходе преобразователя 1 измеряется напряжение U₁ (рис. 4.2).

Если I₁ = I₂, то по условию взаимности U₁ /U₂ =1 (в случае, если оба преобразователя подчиняются принципу взаимности).

Отклонение этого отношения от единицы, превышающие погрешности измерений, характеризуют нарушение принципа взаимности в данных преобразователях, а следовательно, и систематическую погрешность градуировки.

Для повышения точности измерений необходимо уменьшать размеры преобразователей, а градуировку производить на достаточно больших расстояниях, которые допустимы в отношении влияния отраженных сигналов.

При градуировке микрофонов по методу взаимности часто в качестве обратимого преобразователя используют капсюль конденсаторного микрофона.