實(shi)驗名稱：透明式定向發聲換(huan)能器實(shi)驗測試(shi)

　　實(shi)驗(yan)原(yuan)理：本實(shi)驗(yan)所(suo)研究的(de)透明(ming)式(shi)定(ding)(ding)向(xiang)(xiang)(xiang)發聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)是種(zhong)新型的(de)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)，換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)可聽聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓級(ji)測(ce)試(shi)和頻(pin)率響應測(ce)試(shi)目的(de)確(que)定(ding)(ding)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)一(yi)階諧振(zhen)頻(pin)率和在(zai)該頻(pin)率下(xia)工作時的(de)遠場(chang)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓級(ji)大(da)小。由于測(ce)試(shi)時會受到(dao)環境噪聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)干擾，因此需要(yao)將整個系統置于消聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)室內，使用信(xin)號(hao)發生器(qi)(qi)(qi)(qi)發射頻(pin)率在(zai)超聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)波范圍(wei)內的(de)掃頻(pin)信(xin)號(hao)，將麥克風置于換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)軸的(de)遠場(chang)距離處進行測(ce)試(shi)，采集聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)壓級(ji)大(da)小的(de)數據，繪(hui)(hui)制(zhi)該測(ce)試(shi)樣品的(de)頻(pin)響曲(qu)線。換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)指向(xiang)(xiang)(xiang)性測(ce)試(shi)目的(de)是確(que)定(ding)(ding)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)工作在(zai)其(qi)一(yi)階諧振(zhen)頻(pin)率時的(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)場(chang)分(fen)布(bu)情(qing)況，測(ce)試(shi)其(qi)主瓣聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)束是否集中，能(neng)(neng)(neng)(neng)否有效的(de)抑制(zhi)旁瓣信(xin)號(hao)。需要(yao)一(yi)個轉(zhuan)(zhuan)臺，通(tong)過控(kong)制(zhi)轉(zhuan)(zhuan)臺旋轉(zhuan)(zhuan)，測(ce)試(shi)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)中心(xin)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)軸所(suo)在(zai)平(ping)(ping)面的(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)場(chang)分(fen)布(bu)，繪(hui)(hui)制(zhi)平(ping)(ping)面二(er)維指向(xiang)(xiang)(xiang)性圖。聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)頻(pin)定(ding)(ding)向(xiang)(xiang)(xiang)換(huan)(huan)(huan)(huan)能(neng)(neng)(neng)(neng)器(qi)(qi)(qi)(qi)測(ce)試(shi)系統如圖一(yi)所(suo)示。

　　測試設備：信號發生器、ATA-4011B高壓功率放大器、信號(hao)采集設(she)備、換能器、傳聲器、示波(bo)器

　　圖一聲頻定(ding)向換能器測(ce)試系統

　　實驗過程：換能器超聲聲壓(ya)級和頻響測(ce)試作(zuo)為所(suo)(suo)有測(ce)試內(nei)容中的第一重點(dian)工作(zuo)，系統框圖如圖二(er)所(suo)(suo)示。

　　圖二(er)頻率測試系統框(kuang)圖

　　首先，對測(ce)試(shi)所用麥(mai)(mai)克風(feng)，使(shi)用標準音源(yuan)校準計進行校準，獲得麥(mai)(mai)克風(feng)測(ce)試(shi)即時情況下電壓值(zhi)與(yu)聲壓級(ji)的轉換(huan)關(guan)系;然(ran)后(hou)，使(shi)用信(xin)(xin)號(hao)發生器(qi)(qi)產生幅(fu)值(zhi)10Vpp、頻(pin)(pin)率(lv)1kHz~100kHz信(xin)(xin)號(hao)，輸(shu)出(chu)信(xin)(xin)號(hao)通過ATA-4011功率(lv)放(fang)大(da)器(qi)(qi)放(fang)大(da)10倍后(hou)作為(wei)待測(ce)樣(yang)品的驅(qu)動(dong)信(xin)(xin)號(hao)和示波器(qi)(qi)輸(shu)入信(xin)(xin)號(hao)。樣(yang)品振動(dong)發聲后(hou)，由麥(mai)(mai)克風(feng)在距離(li)樣(yang)品定距接收，輸(shu)入動(dong)態(tai)分析(xi)儀，通過示波器(qi)(qi)波形(xing)判斷樣(yang)品輸(shu)入信(xin)(xin)號(hao)的有效性后(hou)，記錄動(dong)態(tai)分析(xi)儀波形(xing)峰值(zhi)作為(wei)頻(pin)(pin)響(xiang)原始數據(ju)(ju)。最(zui)后(hou)，根據(ju)(ju)測(ce)試(shi)前(qian)校準結果(guo)對測(ce)試(shi)數據(ju)(ju)進行校準，得到頻(pin)(pin)率(lv)與(yu)聲壓級(ji)對應數據(ju)(ju)并繪制直觀(guan)頻(pin)(pin)響(xiang)曲線。其中(zhong)，測(ce)試(shi)環境需(xu)在消聲室(shi)中(zhong)或(huo)采用消聲箱設備，麥(mai)(mai)克風(feng)與(yu)換(huan)能器(qi)(qi)距離(li)默(mo)認10cm，若需(xu)特殊測(ce)試(shi)在根據(ju)(ju)情況改變測(ce)試(shi)距離(li)。

　　透明式定向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)發(fa)聲換能(neng)器(qi)的(de)(de)可以利用超聲波的(de)(de)特性(xing)(xing)產(chan)生(sheng)高指向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)性(xing)(xing)的(de)(de)可聽(ting)聲信(xin)號(hao)，因(yin)此需要進行(xing)指向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)性(xing)(xing)的(de)(de)測試(shi)，測試(shi)所設計透明式定向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)發(fa)聲換能(neng)器(qi)指向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)性(xing)(xing)性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)好壞，測試(shi)該換能(neng)器(qi)能(neng)否有效的(de)(de)抑制旁瓣信(xin)號(hao)。

　　圖(tu)(tu)三指(zhi)向性測(ce)試系統(tong)框圖(tu)(tu)

　　首先，將整個透(tou)明式定向發聲換(huan)能(neng)器系(xi)統放置在消聲室內，將換(huan)能(neng)器固定在可以(yi)360度旋(xuan)轉的(de)轉臺上，收(shou)音(yin)麥(mai)(mai)克(ke)風放置在換(huan)能(neng)器中心軸的(de)正前方。對測(ce)試所用麥(mai)(mai)克(ke)風，使用標準音(yin)源校準計進行(xing)校準，獲得麥(mai)(mai)克(ke)風測(ce)試即時情況(kuang)下電壓值(zhi)與聲壓級的(de)轉換(huan)關(guan)系(xi);然后，通(tong)過(guo)頻(pin)響測(ce)試得到(dao)樣品對應(ying)的(de)諧(xie)振頻(pin)率，使用信(xin)(xin)號放大(da)器產生幅值(zhi)10Vpp、頻(pin)率取值(zhi)5kHz的(de)信(xin)(xin)號，輸出信(xin)(xin)號通(tong)過(guo)ATA-4011功率放大(da)器放大(da)10倍后作(zuo)為待測(ce)樣品的(de)驅動信(xin)(xin)號和(he)示(shi)波器輸入信(xin)(xin)號。

　　樣品(pin)(pin)振動(dong)發聲后(hou)，由麥克風在距離樣品(pin)(pin)10cm處接收信號，輸(shu)入動(dong)態分析(xi)儀(yi)通過(guo)示波器(qi)(qi)波形(xing)判斷樣品(pin)(pin)輸(shu)入信號的有效性(xing)后(hou)，記(ji)錄動(dong)態分析(xi)儀(yi)波形(xing)峰值作為頻(pin)響原始數據。樣品(pin)(pin)角度測(ce)(ce)(ce)試范圍(wei)±90°，變化步(bu)長為5°，每次角度變化后(hou)均(jun)重復進(jin)行本次步(bu)驟，每次轉動(dong)轉臺后(hou)記(ji)錄數據，從而得(de)到在各個角度上，換能器(qi)(qi)中心聲軸所在平面內(nei)的聲壓級大小:最(zui)后(hou)，根據測(ce)(ce)(ce)試前校(xiao)準(zhun)結(jie)果對測(ce)(ce)(ce)試數據進(jin)行校(xiao)準(zhun)，得(de)到頻(pin)率、角度與聲壓級對應數據并繪(hui)制直觀(guan)指向性(xing)圖(tu)(tu)。其中，頻(pin)率的取(qu)值范圍(wei)、樣品(pin)(pin)角度變化范圍(wei)、步(bu)長均(jun)為參考值，可(ke)按當時實際情況(kuang)調整。測(ce)(ce)(ce)試示意圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu)四(si)所示。

　　圖四指(zhi)向性(xing)測試示意圖

　　實驗(yan)結(jie)(jie)果(guo)：最終制作(zuo)而成(cheng)的(de)樣(yang)品如圖五所示(shi)，陣(zhen)元個數(shu)為(wei)54。因加工工藝的(de)限制，所制作(zuo)的(de)樣(yang)品存在低(di)精度的(de)問題，導致(zhi)多組樣(yang)品無法(fa)得(de)到正(zheng)確(que)(que)的(de)測試結(jie)(jie)果(guo)，基于這(zhe)種情況，將樣(yang)品進行(xing)細(xi)致(zhi)的(de)篩選，提高實驗(yan)測試的(de)高效性，以(yi)幾(ji)組精度良(liang)好的(de)換能(neng)(neng)器樣(yang)品為(wei)例，根據測試結(jie)(jie)果(guo)驗(yan)證仿真結(jie)(jie)果(guo)的(de)正(zheng)確(que)(que)性以(yi)及所設計換能(neng)(neng)器的(de)可行(xing)性。

　　圖五制作樣品圖

　　將(jiang)樣(yang)品置于消聲(sheng)室中進行一(yi)階諧振頻(pin)率、聲(sheng)壓級大小和指向性的(de)(de)(de)測(ce)試(shi)，通(tong)過將(jiang)一(yi)系列的(de)(de)(de)樣(yang)品進行測(ce)試(shi)后(hou)，剔除不可(ke)控的(de)(de)(de)因素(su)和加工導致的(de)(de)(de)樣(yang)品不規范(fan)的(de)(de)(de)原因，得到了兩組(zu)測(ce)試(shi)結果較好的(de)(de)(de)數據(ju)。測(ce)試(shi)得到的(de)(de)(de)頻(pin)響曲(qu)線如圖五（a）所示，得到的(de)(de)(de)指向性如圖六(b)所示。

　　圖(tu)六樣品測試結果

　　通過理論計算(suan)和(he)仿(fang)真(zhen)結(jie)果，54個陣元(yuan)的(de)陣列在(zai)10cm處的(de)聲壓(ya)級(ji)(ji)大小應比(bi)單(dan)個陣元(yuan)仿(fang)真(zhen)得到的(de)在(zai)1cm處的(de)聲壓(ya)級(ji)(ji)要多14.6dB，測試所得的(de)一(yi)階諧振頻率值以及聲壓(ya)級(ji)(ji)的(de)大小和(he)仿(fang)真(zhen)基本一(yi)致。

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