自由场、压力场、随机入射场三种响应类型传声器如何选择
2024-05-10
电容式传声器是声学测量中最常用的传声器类型，其性能对测量精度有着重要的影响。电容式传声器有三种响应类型，分别是：自由场、压力场和随机入射场。下面，就让我们一一来了解一下这三种响应类型及不同响应类型的传声器的选择。
一、自由场传声器
最常用的响应类型是自由场类型，如图1所示。当声音来自单一方向和单一声源， 声波的传播方向和传声器膜片垂直（0°入射角），且测试环境中的声反射降为最小时，这种情况下自由场传声器的测量结果最为精确。
图1 自由场传声器
自由场传声器设计用于测量膜片处的声压，假设传声器对原来的声场没有影响，仿佛传声器不存在一样。但是，当频率高到声波波长和传声器的尺寸接近时，传声器放在声场中后，衍射效应会改变原来的声场。这个效应在传声器的设计和校准时必须要予以考虑，以保证测试数据的精度。
自由场传声器最适用于空旷的没有反射物的环境下，如消声室和开阔地等这些场合。
二、压力场传声器
第二种响应类型称为压力场传声器，如图2所示。电容式压力场传声器的使用方法和压电式或标准压力传感器类似，典型用于在管道或空腔中测量声压。压力场传声器通常安装在墙或者面板中，传声器的测量表面与物体表面平齐。压力场传声器不需要考虑传声器本身对声场的影响。压力场中各处的幅值和相位视为是相等的。
图2 压力场传声器
压力场传声器通常用于尺寸小于声波波长的围隔中。测试施加于墙上、机翼上、结构（如管道、壳、空腔等）内部的声压都是压力场传声器的应用实例。
三、随机入射场传声器
第三种类型称为随机入射场传声器，如图3所示。
图3 随机入射场传声器
这类传声器也被称作扩散场传声器。随机入射场传声器设计为全指向性，测量来自多方向、多声源、多次反射的声压。随机入射场传声器需要补偿其自身对声场的影响。为得到扩散场中的精确响应，需要考虑对所有标定过的入射角度的净效应做平均。这项工作是由传声器制造商在设计和标定阶段完成的。
当在混响室、教堂或者其他具有硬反射墙面的区域内进行声学测量时，应该使用随机入射场传声器，以精确地测量来自多声源的声音。
四、不同响应类型传声器的选择
在低频（≤1 kHz）时，不论传声器的响应类型是自由场，随机入射场，还是压力场，其输出的测试数据是一致的，差别在0.2dB以内，因此，可以选用任意一种类型的传声器进行测试。
随着测试频率的增高，声波波长变小。当声波的波长和传声器本身的尺寸接近时，不同响应类型的传声器的输出之间的差异开始变大。
如图4所示，对于1/2?传声器，在20 kHz频率点处，不同响应类型的传声器的输出的差异接近10 dB?；谎灾?，如果在自由场声场中，采用1/2?的压力场传声器进行声压测量，其误差接近10 dB。
图4 不同响应类型的1/2?传声器的输出的比较
从图5可以看到，对于1/4?（6mm）传声器，在20 kHz频率点处，不同响应类型的传声器的输出的差异接近6dB，小于1/2?传声器的10 dB的差异。
图5 不同响应类型的1/4?传声器的输出的比较
综上，关于选择合适的响应类型的传声器，我们提供以下建议：
1.测试频率低于≤1 kHz时，不必考虑传声器的响应类型；
2.测试频率高于≥1 kHz时，最好选择和测试的声场类型匹配的传声器；
3.如果已知传声器在不同类型声场中的响应，可以通过后处理对测量数据进行修正，则不必考虑传声器与声场是否匹配；
4.较之大尺寸传声器，小尺寸的传声器具有更好的多类型声场适应性。
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