JJF-傳聲器相頻特性校準(zhǔn)規(guī)范靜電激勵器法編制說明

PAGEPAGE4 《傳聲器相頻特性校準(zhǔn)規(guī)范（靜電激勵器法）》編制說明規(guī)范起草組2024年7月

1任務(wù)來源根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局文件要求，全國聲學(xué)計量技術(shù)委員會于2023年9月向中國測試技術(shù)研究院下達了《傳聲器相頻特性校準(zhǔn)規(guī)范（靜電激勵器法）》的制定任務(wù)，由中國測試技術(shù)研究院負(fù)責(zé)起草工作。本規(guī)范的起草單位為：中國測試技術(shù)研究院、中國計量科學(xué)研究院、杭州愛華儀器有限公司。2目的和意義傳聲器陣列測量技術(shù)用于聲定位、聲成像中已有近60年歷史，目前已經(jīng)成為一種重要的聲源識別、定位和聲場可視化工具。采用陣列測量技術(shù)能夠通過一次測量完成聲陣面上復(fù)聲壓數(shù)據(jù)（包括聲壓幅值和相位信息）的采集，不受聲場狀況的限制，在工程上具有很高的應(yīng)用價值。近年來，行業(yè)內(nèi)相關(guān)業(yè)務(wù)出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長，各種便攜式聲成像設(shè)備層出不窮。國際上，丹麥B&K、德國米勒貝姆（BBM）、日本RION、美國FLUKE等均有相關(guān)產(chǎn)品。國內(nèi)杭州愛華儀器有限公司、北京聲望聲電技術(shù)有限公司、上海其高電子科技有限公司、昆山祺邁測控設(shè)備有限公司、杭州兆華電子有限公司、上海睿深電子科技有限公司等均有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。隨著行業(yè)的蓬勃發(fā)展，配套傳聲器的計量需求逐漸上升。除傳聲器的靈敏度與幅頻響應(yīng)外，傳聲器的相頻特性同樣十分重要。由于相位參數(shù)極易受到測量系統(tǒng)的影響，所以想要測得傳聲器的絕對相位十分困難。但是，在實際應(yīng)用中通常不需要測得絕對相位，而是只需評估配套傳聲器間的相位差，以及利用傳聲器相位的非線性誤差評估傳聲器好壞。這使得用靜電激勵器法校準(zhǔn)傳聲器的相頻特性成為現(xiàn)實。由于靜電激勵器法測得的相頻特性與自由場互易法存在偏差，故本規(guī)范所述相頻響應(yīng)，特指由靜電激勵器法測得的相頻響應(yīng)。有鑒于以往工作相關(guān)實驗經(jīng)歷，存在以下問題：第一，擬使用于陣列測量系統(tǒng)中的傳聲器在計量過程中往往需要進行篩選，篩選時一般需要更換部分傳聲器，若使用參考傳聲器計算相位一致性，則計量機構(gòu)需常備參考傳聲器。而不同參考傳聲器之間可能存在較大的相位差，最終可能導(dǎo)致不同次測量結(jié)果前后不一致；第二，部分傳聲器外觀可見損傷，但幅頻響應(yīng)符合檢定規(guī)程要求，相頻響應(yīng)存在較大問題。按以往測量幅頻響應(yīng)的方法來判斷傳聲器是否合格，無法保證傳聲器正常工作。為解決以上問題，開展了相關(guān)研究工作，通過以下技術(shù)手段，滿足聲陣列等測量裝置對傳聲器相位校準(zhǔn)的需求，制定了本規(guī)范。1.通過靜電激勵器測量得到不同傳聲器的相頻響應(yīng)，在得到配套使用的傳聲器相位差的同時，保持較好的測量重復(fù)性，避免更換傳聲器帶來的測量結(jié)果不一致。2.通過相頻非線性誤差的校準(zhǔn)，保證陣列系統(tǒng)傳聲器的正常使用。3編制過程根據(jù)任務(wù)要求，在大量調(diào)研和征求意見基礎(chǔ)上，起草小組針對測量傳聲器相位參數(shù)的技術(shù)特點，參考國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，進行了針對性的實驗工作，積累大量實驗數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上編寫制定本規(guī)范，大致編寫工作過程如下：2023年9月～2023年10月起草組對目前可用于聲陣列的測量傳聲器生產(chǎn)狀況，產(chǎn)品性能指標(biāo)，用戶使用情況進行調(diào)研和分析工作，就技術(shù)指標(biāo)和校準(zhǔn)需求進行溝通和匯總。2023年11月起草小組召開校準(zhǔn)規(guī)范起草啟動會，根據(jù)任務(wù)書進行討論，提出制定意見，并進行工作安排。2023年11月～2024年3月起草小組根據(jù)規(guī)范內(nèi)容制定實驗技術(shù)方案，并完成自由場傳聲器、壓力場傳聲器、擴散場傳聲器的實驗和方法驗證、短期穩(wěn)定性等多項實驗內(nèi)容和實驗結(jié)果分析，為規(guī)范起草內(nèi)容提供技術(shù)數(shù)據(jù)支撐。2024年3月~2024年6月，完成規(guī)范初稿內(nèi)容。2024年7月11日，在中國測試技術(shù)研究院召開預(yù)審會。規(guī)范主要起草人介紹了規(guī)范制定的任務(wù)來源及目的意義，評審專家就規(guī)范測量范圍、引用文件、計量特性、校準(zhǔn)條件、校準(zhǔn)項目、校準(zhǔn)方法及不確定度評定進行了逐條審查，并提出寶貴意見。規(guī)范起草小組就專家的提問進行了詳細(xì)作答。與會專家經(jīng)過認(rèn)真研討，認(rèn)為初稿、編制說明及驗證報告基本完整，一致同意通過預(yù)審。但初稿須修改處較多，建議起草組按照審查意見進行修改，經(jīng)審查組確認(rèn)后，再提報秘書處按規(guī)定程序組織征求意見。2024年7月18日，起草小組根據(jù)預(yù)審意見進行完善，形成征求意見稿。4規(guī)范主要制定內(nèi)容本規(guī)范為首次制定，內(nèi)容編制將遵循技術(shù)法規(guī)的科學(xué)性、先進性和可操作性原則。主要制定內(nèi)容如下：4.1范圍規(guī)范適用于采用靜電激勵器法對壓力場測量傳聲器20Hz~20kHz、自由場及擴散場測量傳聲器20Hz~500Hz范圍內(nèi)相位特性進行的校準(zhǔn)，適用范圍明確。4.2概述規(guī)范描述了靜電激勵器法校準(zhǔn)測量傳聲器相位特性的原理、設(shè)備組成、相關(guān)儀器的結(jié)構(gòu)及功能，并給出設(shè)備連接示意圖。4.3計量特性根據(jù)靜電激勵器法校準(zhǔn)測量傳聲器相頻特性的原理及工作過程，結(jié)合測量傳聲器實際應(yīng)用場景，本規(guī)范給出常用測量傳聲器相頻特性的技術(shù)要求包括相位一致性、相頻非線性誤差，并分列表述。4.4校準(zhǔn)條件規(guī)范根據(jù)被測儀表的技術(shù)特點和測試要求對環(huán)境溫度、濕度及電源電壓條件進行規(guī)定。對于校準(zhǔn)設(shè)備結(jié)合JJF1071-2010要求對測量標(biāo)準(zhǔn)與配套設(shè)備進行了規(guī)定。因校準(zhǔn)裝置與《工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器（靜電激勵器法）檢定規(guī)程》（JJG175-2015）相同，因此校準(zhǔn)條件與采用靜電激勵器法校準(zhǔn)測量傳聲器聲壓靈敏度保持一致，并明確給出測量設(shè)備和其技術(shù)要求。4.5.校準(zhǔn)項目規(guī)范給出的校準(zhǔn)項目為外觀及功能性檢查項目，相頻非線性誤差項目、校準(zhǔn)傳聲器對（組）時還包括相位一致性項目。4.6校準(zhǔn)方法本規(guī)范所述相頻非線性誤差、相位一致性均為測量傳聲器相頻響應(yīng)后通過計算得到的，因此規(guī)范中對傳聲器相頻響應(yīng)的測量方法及相頻非線性誤差、相位一致性的計算方法均做出說明。為確保規(guī)范校準(zhǔn)過程實施的可靠性和可行性，規(guī)范校準(zhǔn)前準(zhǔn)備的內(nèi)容中包括傳聲器機械性損傷或變形檢查、接觸不良檢查的相關(guān)條款。參數(shù)設(shè)置是測量放大器按照傳聲器供電要求等設(shè)置。本規(guī)范采用靜電激勵器法進行校準(zhǔn)，內(nèi)容明確，清晰，具備科學(xué)性和可操作性，便于校準(zhǔn)活動的實施。另一方面，由于可整套采用原有設(shè)備，在計量機構(gòu)中已有較強基礎(chǔ)，校準(zhǔn)規(guī)范實施后可迅速開展相關(guān)工作。4.6.1相頻非線性誤差校準(zhǔn)測得傳聲器相頻響應(yīng)后，采用最小二乘法將頻率響應(yīng)曲線擬合為一條直線，求得誤差。因自由場傳聲器、擴散場傳聲器與壓力場傳聲器工作原理不同，規(guī)范針對不同類型傳聲器分別提出了不同頻率段的相頻非線性誤差要求。并在規(guī)范中詳細(xì)闡述相頻非線性誤差的校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)步驟及數(shù)據(jù)處理方法。4.6.2相位一致性校準(zhǔn)若有兩只或兩只以上配套使用的傳聲器對（組），測量其中每一只傳聲器被檢頻率內(nèi)的相頻響應(yīng)后，計算得到相位一致性。4.7復(fù)校時間間隔測量傳聲器是一種隨著使用頻次增多、時間變長將發(fā)生一定的變化，因此應(yīng)定期對其進行校準(zhǔn)，本規(guī)范建議其復(fù)校時間間隔不超過12個月。由于影響測量傳聲器相頻特性的因素很多，因此按照J(rèn)JF1071-2010規(guī)定，本規(guī)范對復(fù)校時間間隔的規(guī)定中強調(diào)了“復(fù)校時間間隔的長短取決于儀器的使用情況（使用部位的重要性、環(huán)境條