實(shí)驗(yàn)名稱：透明式定向發(fā)聲換能器實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)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(tīng)聲聲壓級(jí)測(cè)試和頻率響應(yīng)測(cè)試目的確定換能器的一階諧振頻率和在該頻率下工作時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)大小。由于測(cè)試時(shí)會(huì)受到環(huán)境噪聲的干擾，因此需要將整個(gè)系統(tǒng)置于消聲室內(nèi)，使用信號(hào)發(fā)生器發(fā)射頻率在超聲波范圍內(nèi)的掃頻信號(hào)，將麥克風(fēng)置于換能器聲軸的遠(yuǎn)場(chǎng)距離處進(jìn)行測(cè)試，采集聲壓級(jí)大小的數(shù)據(jù)，繪制該測(cè)試樣品的頻響曲線。換能器指向性測(cè)試目的是確定換能器工作在其一階諧振頻率時(shí)的聲場(chǎng)分布情況，測(cè)試其主瓣聲束是否集中，能否有效的抑制旁瓣信號(hào)。需要一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，測(cè)試換能器中心聲軸所在平面的聲場(chǎng)分布，繪制平面二維指向性圖。聲頻定向換能器測(cè)試系統(tǒng)如圖一所示。

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

　　圖一聲頻定向換能器測(cè)試系統(tǒng)

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：換能器超聲聲壓級(jí)和頻響測(cè)試作為所有測(cè)試內(nèi)容中的第一重點(diǎn)工作，系統(tǒng)框圖如圖二所示。

　　圖二頻率測(cè)試系統(tǒng)框圖

　　首先，對(duì)測(cè)試所用麥克風(fēng)，使用標(biāo)準(zhǔn)音源校準(zhǔn)計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得麥克風(fēng)測(cè)試即時(shí)情況下電壓值與聲壓級(jí)的轉(zhuǎn)換關(guān)系;然后，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值10Vpp、頻率1kHz~100kHz信號(hào)，輸出信號(hào)通過(guò)ATA-4011功率放大器放大10倍后作為待測(cè)樣品的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和示波器輸入信號(hào)。樣品振動(dòng)發(fā)聲后，由麥克風(fēng)在距離樣品定距接收，輸入動(dòng)態(tài)分析儀，通過(guò)示波器波形判斷樣品輸入信號(hào)的有效性后，記錄動(dòng)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(cè)試前校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到頻率與聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制直觀頻響曲線。其中，測(cè)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(cè)試在根據(jù)情況改變測(cè)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(tīng)聲信號(hào)，因此需要進(jìn)行指向性的測(cè)試，測(cè)試所設(shè)計(jì)透明式定向發(fā)聲換能器指向性性能的好壞，測(cè)試該換能器能否有效的抑制旁瓣信號(hào)。

　　圖三指向性測(cè)試系統(tǒng)框圖

　　首先，將整個(gè)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(tái)上，收音麥克風(fēng)放置在換能器中心軸的正前方。對(duì)測(cè)試所用麥克風(fēng)，使用標(biāo)準(zhǔn)音源校準(zhǔn)計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得麥克風(fēng)測(cè)試即時(shí)情況下電壓值與聲壓級(jí)的轉(zhuǎn)換關(guān)系;然后，通過(guò)頻響測(cè)試得到樣品對(duì)應(yīng)的諧振頻率，使用信號(hào)放大器產(chǎn)生幅值10Vpp、頻率取值5kHz的信號(hào)，輸出信號(hào)通過(guò)ATA-4011功率放大器放大10倍后作為待測(cè)樣品的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和示波器輸入信號(hào)。

　　樣品振動(dòng)發(fā)聲后，由麥克風(fēng)在距離樣品10cm處接收信號(hào)，輸入動(dòng)態(tài)分析儀通過(guò)示波器波形判斷樣品輸入信號(hào)的有效性后，記錄動(dòng)態(tài)分析儀波形峰值作為頻響原始數(shù)據(jù)。樣品角度測(cè)試范圍±90°，變化步長(zhǎng)為5°，每次角度變化后均重復(fù)進(jìn)行本次步驟，每次轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)后記錄數(shù)據(jù)，從而得到在各個(gè)角度上，換能器中心聲軸所在平面內(nèi)的聲壓級(jí)大小:最后，根據(jù)測(cè)試前校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到頻率、角度與聲壓級(jí)對(duì)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(zhǎng)均為參考值，可按當(dāng)時(shí)實(shí)際情況調(diào)整。測(cè)試示意圖如圖四所示。

　　圖四指向性測(cè)試示意圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：最終制作而成的樣品如圖五所示，陣元個(gè)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(wèn)題，導(dǎo)致多組樣品無(wú)法得到正確的測(cè)試結(jié)果，基于這種情況，將樣品進(jìn)行細(xì)致的篩選，提高實(shí)驗(yàn)測(cè)試的高效性，以幾組精度良好的換能器樣品為例，根據(jù)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性以及所設(shè)計(jì)換能器的可行性。

　　圖五制作樣品圖

　　將樣品置于消聲室中進(jìn)行一階諧振頻率、聲壓級(jí)大小和指向性的測(cè)試，通過(guò)將一系列的樣品進(jìn)行測(cè)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(cè)試結(jié)果較好的數(shù)據(jù)。測(cè)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(cè)試結(jié)果

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

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