實驗名稱：透明式定向發(fā)聲換能器實驗測試

　　實驗原理：本實驗所研究的透明式定向發(fā)聲換能器是種新型的換能器，換能器可聽聲聲壓級測試和頻率響應(yīng)測試目的確定換能器的一階諧振頻率和在該頻率下工作時的遠(yuǎn)場聲壓級大小。由于測試時會受到環(huán)境噪聲的干擾，因此需要將整個系統(tǒng)置于消聲室內(nèi)，使用信號發(fā)生器發(fā)射頻率在超聲波范圍內(nèi)的掃頻信號，將麥克風(fēng)置于換能器聲軸的遠(yuǎn)場距離處進行測試，采集聲壓級大小的數(shù)據(jù)，繪制該測試樣品的頻響曲線。換能器指向性測試目的是確定換能器工作在其一階諧振頻率時的聲場分布情況，測試其主瓣聲束是否集中，能否有效的抑制旁瓣信號。需要一個轉(zhuǎn)臺，通過控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，測試換能器中心聲軸所在平面的聲場分布，繪制平面二維指向性圖。聲頻定向換能器測試系統(tǒng)如圖一所示。

　　測試設(shè)備：信號發(fā)生器、ATA-4011B高壓功率放大器、信號采集設(shè)備、換能器、傳聲器、示波器

圖一聲頻定向換能器測試系統(tǒng)

　　實驗過程：換能器超聲聲壓級和頻響測試作為所有測試內(nèi)容中的第一重點工作，系統(tǒng)框圖如圖二所示。

圖二頻率測試系統(tǒng)框圖

　　首先，對測試所用麥克風(fēng)，使用標(biāo)準(zhǔn)音源校準(zhǔn)計進行校準(zhǔn)，獲得麥克風(fēng)測試即時情況下電壓值與聲壓級的轉(zhuǎn)換關(guān)系;然后，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生幅值10Vpp、頻率1kHz~100kHz信號，輸出信號通過ATA-4011功率放大器放大10倍后作為待測樣品的驅(qū)動信號和示波器輸入信號。樣品振動發(fā)聲后，由麥克風(fēng)在距離樣品定距接收，輸入動態(tài)分析儀，通過示波器波形判斷樣品輸入信號的有效性后，記錄動態(tài)分析儀波形峰值作為頻響原始數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)測試前校準(zhǔn)結(jié)果對測試數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，得到頻率與聲壓級對應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制直觀頻響曲線。其中，測試環(huán)境需在消聲室中或采用消聲箱設(shè)備，麥克風(fēng)與換能器距離默認(rèn)10cm，若需特殊測試在根據(jù)情況改變測試距離。

　　透明式定向發(fā)聲換能器的可以利用超聲波的特性產(chǎn)生高指向性的可聽聲信號，因此需要進行指向性的測試，測試所設(shè)計透明式定向發(fā)聲換能器指向性性能的好壞，測試該換能器能否有效的抑制旁瓣信號。

圖三指向性測試系統(tǒng)框圖

　　首先，將整個透明式定向發(fā)聲換能器系統(tǒng)放置在消聲室內(nèi)，將換能器固定在可以360度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺上，收音麥克風(fēng)放置在換能器中心軸的正前方。對測試所用麥克風(fēng)，使用標(biāo)準(zhǔn)音源校準(zhǔn)計進行校準(zhǔn)，獲得麥克風(fēng)測試即時情況下電壓值與聲壓級的轉(zhuǎn)換關(guān)系;然后，通過頻響測試得到樣品對應(yīng)的諧振頻率，使用信號放大器產(chǎn)生幅值10Vpp、頻率取值5kHz的信號，輸出信號通過ATA-4011功率放大器放大10倍后作為待測樣品的驅(qū)動信號和示波器輸入信號。

　　樣品振動發(fā)聲后，由麥克風(fēng)在距離樣品10cm處接收信號，輸入動態(tài)分析儀通過示波器波形判斷樣品輸入信號的有效性后，記錄動態(tài)分析儀波形峰值作為頻響原始數(shù)據(jù)。樣品角度測試范圍±90°，變化步長為5°，每次角度變化后均重復(fù)進行本次步驟，每次轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺后記錄數(shù)據(jù)，從而得到在各個角度上，換能器中心聲軸所在平面內(nèi)的聲壓級大小:最后，根據(jù)測試前校準(zhǔn)結(jié)果對測試數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，得到頻率、角度與聲壓級對應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制直觀指向性圖。其中，頻率的取值范圍、樣品角度變化范圍、步長均為參考值，可按當(dāng)時實際情況調(diào)整。測試示意圖如圖四所示。

圖四指向性測試示意圖

　　實驗結(jié)果：最終制作而成的樣品如圖五所示，陣元個數(shù)為54。因加工工藝的限制，所制作的樣品存在低精度的問題，導(dǎo)致多組樣品無法得到正確的測試結(jié)果，基于這種情況，將樣品進行細(xì)致的篩選，提高實驗測試的高效性，以幾組精度良好的換能器樣品為例，根據(jù)測試結(jié)果驗證仿真結(jié)果的正確性以及所設(shè)計換能器的可行性。

圖五制作樣品圖

　　將樣品置于消聲室中進行一階諧振頻率、聲壓級大小和指向性的測試，通過將一系列的樣品進行測試后，剔除不可控的因素和加工導(dǎo)致的樣品不規(guī)范的原因，得到了兩組測試結(jié)果較好的數(shù)據(jù)。測試得到的頻響曲線如圖五（a）所示，得到的指向性如圖六(b)所示。

圖六樣品測試結(jié)果

　　通過理論計算和仿真結(jié)果，54個陣元的陣列在10cm處的聲壓級大小應(yīng)比單個陣元仿真得到的在1cm處的聲壓級要多14.6dB，測試所得的一階諧振頻率值以及聲壓級的大小和仿真基本一致。

圖：ATA-4011C高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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