干货| 矢量传声器的校准方法简介

矢量传声器是一种新颖的传声器，集成了声压传感器和质点振速传感器，可以同时共点测量声场中的声压和质点振速。矢量传声器在使用的过程中，需要对其进行校准。目前，声压传感器的校准有国标可以参考，但是质点振速传感器的校准还没有形成国标。

声学校准的目标是：给传感器施加一个已知的声信号，确定传感器的输出电压，即确定传感器在不同频率下的灵敏度。对于质点振速传感器，灵敏度是指1m/s的质点振速对应的输出电压；对于声压传感器，灵敏度是指1Pa的声压对应的输出电压。在大多数情况下，也需要确定声压传感器和质点振速传感器之间的相位关系。

关于矢量传声器的校准，国际工作者做了很多科研工作，发表了一些文献。国内中科院声学所，中国计量院，南京大学及粒子声学的专业研究者开展了相关研究。粒子声学接下去简单介绍一下参考文献里面质点振速传感器的校准方法。

在消声室环境下，质点振速传感器可以通过一个声压传感器来进行校准，如图1所示。当传感器距离扬声器的距离远大于波长的时候，声波可以近似为平面波，此时的声阻抗（）为常数。但是对于低频来说，波长比较大，这种平面波近似很难成立。因此，消声室校准方法的有效频率是50Hz-20kHz。

近场校准是基于点声源近场已知的声阻抗来对质点振速进行校准。如图2所示，将矢量传声器放置在已知辐射阻抗的点声源的近场中，通过一个参考声压传感器来进行校准。矢量传声器与点声源的距离推荐设置在10-50cm之间，这个距离下质点振速传感器的过载效应会大大减小。对于高频来说，点声源的近场假设不再成立，而是处于远场，周围的反射会对校准结果造成影响。

如果近场校准设备没有放置在消声室环境下，例如普通的办公室环境，周围存在着各种环境反射，会对校准结果造成影响。可以应用数据后处理的滤波技术（适用于高频，大于100Hz）得到测量的脉冲响应，并进行时域加窗去除环境的反射。

如图3所示，参考声压传声器放置在扬声器球体里面测量扬声器的振动，质点振速传感器通过扬声器的前面的质点振速声场来校准。这项技术的有效频率是10Hz-200Hz，而且不受房间反射的影响。

驻波管校准是一个传统的校准技术，质点振速传感器放置在驻波管里面，参考声压传声器放置在驻波管末端。通过驻波管里面的声场来进行幅值响应和相频响应的校准。驻波管校准的有效频率为20Hz-4kHz，根据驻波管直径不同，上限频率会发生变化。

图4 驻波管校准

测试过程中，参考声压传声器（灵敏度为Sref）放置在管子末端，矢量传声器距离管子末端的距离为L。扬声器发出白噪声，矢量传声器测得的声压Pprobe，质点振速Uprobe，参考传声器测得的声压Pref之间的关系为：

（1）              

（2）

（3）声压传感器的灵敏度为：

（4）质点振速传感器的灵敏度为：

靠近一个振动表面，空气里面的质点振速与振动表面的振动速度是一致的。通过激光测振仪或者加速度计测量振动表面的振动速度，可以来校准质点振速传感器的灵敏度。

以下两种方法是绝对校准技术，这意味着不需要进行计算和转换。这两种技术不容易执行，但可以用来验证其他校准技术。

声功率比技术测量两个不同表面上的声功率，这两个表面都包含同一个声源。声功率(声强乘以表面)是恒定的，该方法提供了非常精确的相位校准。

激光多普勒风速计是一种能够测量声波的粒子速度的振幅的设备，这样的装置可以校准质点振速传感器的灵敏度。

能够同时掌握芯片设计、传感器设计与生产、矢量声学算法以及矢量声学测量测试和声学应用，是公司的核心竞争力。

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编/粒子声学-王诚熠

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