传声器及其应用的提问与回答

第四部分: 传声器参数说明

1 Q: 一个传声器的最低可测声压级(SPL)是多少？
   A:  传声器和前置放大器的噪声是两者的噪声组合。记住它的简单办法是类似于加速度传感器和压力传感器的分辨率(宽带)指标。
        可测最小声压级会比传声器的本底噪声稍微高一些。当需要进行最小信号测量时需要考虑一些其它因素。你必须考虑前置放大器的本底电噪声，连接电缆、供电电源、软件、滤波器、数据采集系统以及接地回路噪声等。

        对于这个技术专题我们会将传声器和前置放大器作为一个系统来考虑。噪声是两者组合，前置放大器主要噪声在低频段，传声器是高频段。

 
        本底噪声定义为1/3倍频段内dB，dBA。膜片尺寸越大灵敏度越高，噪声越低。常规1/2英寸自由场传声器的本底噪声一般在15到20dBA，较大的1英寸传声器本底在10到15dBA，1/4英寸本底在30到60dBA。线性Z计权dB值会更高。
我们最新的378A04本底噪声是6.5dBA，下图是378A04的一个实际测试值。

 

       对于销售来说更为重要的是需要知道本底噪声依赖于频率，噪声一般是传声器和前置放大器有用频率段下的那个区域，但是如果你看特定频率或者1/3倍频程，你会看到在本底噪声曲线上的很小。1/3倍频100Hz处A计权噪声是-24dBA，是一个负值，低于人耳可听阈值，在100Hz线性值是-5dB。
       同样重要的是你需要了解你的测试环境来选择合适的传声器，除非客户有消声室，否则它们的背景噪声会比378A04的背景噪声高很多，这个时候还不如使用更佳的378B02。如果是想测试最低的噪声值，也需要其它所有设备都能达到此低噪声功能，最新的预极化传声器378A04是最佳选择。

2 Q: 130E22和130A23有什么区别？
   A: 两者都是自由场SMB接头阵列传声器。130A23使用了不同的设计达到更高的动态范围，以及高达20kHz频率范围内较为平坦的响应。130E22在高频处偏差大，性价比更高。

3 Q: 电容传声器的绝对相位和相对相位有何区别？
    A: 相位代表了施加信号（电信号或者机械信号）与施加信号的响应之间的延迟，这个可以描述为绝对相位或者相对相位。绝对相位指的是传声器的固有延迟，和外界没有任何关系，它指的是入射声压和输出电响应之间的延迟。相对相位指的是输出电响应和另一个传声器的响应之间的延迟。任何相对响应测量都必须建立在标准基础之上。

4 Q:传声器工作在最大额定温度是否安全？
    A:是的，可以使用。PCB的传声器在超出最大工作温度段都会进行测试。更重要的是需要注意每个传声器都需要一个前置放大器，很多情况下前置放大器限制了传声器和前置放大器组合系统的温度指标。

5 Q:前置放大器的温度系数会影响什么？只需要考虑传声器的参数还是也需要考虑前置放大器的温度影响？
    A:前置放大器的温度系数可以忽略不计。建议使用传声器和前置放大器系统指标。

6 Q: 超过IEC 61094-4(工作级别传声器)标准所需的-10 °C 到 +50 °C之外的温度范围的温度系数是线性的吗？
    A: 是的，超过这个范围也是线性的，在-40 °C 到150 °C之间都测量过。

7 Q: 什么会引起PCB 130E20阵列传声器和工作级别传声器378B02的测试结果差别？
    A: 工作级别传声器378B02在极端环境下比低成本的130系列传声器更为稳定。温度、湿度和气压会对130系列传声器带来更大的灵敏度漂移。两种传声器在稳定后都需要在测试环境下进行校准。测量数据的精度会受到传声器的外观尺寸、摆放位置以及所在位置的反射影响。传声器自身存在于测量声场中也会改变测量结果。如果这个发生了，改变一下传声器的位置进行另一次的测量。如果误差仅存在于高频处，这里要指出的是130E20在10kHz是± 2dB，而377B02到20kHz处都更为平坦。

8 Q: 为什么130E21,130E22和130A23阵列传声器与常规的1/4英寸378系列传声器有不同的直径？
   A: 这些传声器被设计成不同直径，主要是用于降低成本替换其它厂家的传声器，这个需要更换支架或改变设置。

9 Q: 声压级增高在输出端会带来正电压还是负电压输出？
   A:  当入射声压作用在预极化传声器上时，输出电压是正输出。外极化传声器由于存储了电荷所以输出和预极化传声器有180度的相位差。所以外极化传声器的输出是负电压。

10 Q: 前置放大器是如何影响传声器的动态范围的？
     A: 前置放大器会影响传声器和前置放大器组合的噪声，因为它会引入电噪声。一般情况下它会限制上限测量范围（3%失真）这个依赖于传声器的指标和前置放大器提供的电压值大小。

11 Q: 为何PCB的传声器校准证书上有2个灵敏度指标？
     A: 这两个灵敏度指标描述的是同一个东西，第一个是开路灵敏度基准值是1V/Pa,第二个是转换结果为mV/Pa为单位。举个例子377B02是-26 dB re.1V/Pa,等于50mV/Pa。

12 Q: 377B02传声器的工作温度。

13 Q: PCB^®传声器和前置放大器系统具有静压系数指标，静压范围是多少？我可以在40000英尺高度使用传声器吗？
     A: 静压范围指的是在膜片上的正压范围。在40000英尺高度，环境压力是21 kPa，这个压力差大概是13.5dB，但是传声器仅在纬度变化比传声器通风快的情况下会测到这个压力。重要的是需要了解传声器会遇到的压力变化率，PCB^®建议不要超过0.5 psi/s（3.5kPa/s）。

14 Q: PCB^®的用于1/4英寸传声器和1/2英寸前置放大器的079A02适配器影响传声器的性能吗？
     A: 适配器不影响任何性能指标，工作温度高达120° C。

15 Q: 我可以使用PCB^®传声器超出它的指标定义频率范围吗？
     A: 传声器一般指标都是定义为整个频带±2 dB，你可以使用超出这个频率范围，但是你得到的数据将会不准确，诸如±3 dB误差。

16 Q: 传声器的最大声压级是什么？它是如何定义的？
     A: 当传声器经历一个压力变化时，前置放大器会输出一个正比于声音频率和幅值的电压波形。在很高幅值情况下系统的机械和电气性能会变得非线性而导致波形失真。传声器可探测到的最大声压级通过固定百分比总谐波失真（THD）定义得出。动态范围上限定义为输出值达到3% THD的时候峰值声压级。实际的最大声压级可以通过传声器的实际灵敏度、前置放大器提供的峰值电压、前置放大器的直流偏置电压以及信号调理器的激励电压测量得出。为了最大化上限动态范围，可以选择低灵敏度传声器、高最大峰值电压输出以及利用具有足够激励电压的信号调理器来得到。

17 Q: 传声器和前置放大器系统的最高温度是多少？热是怎么影响应用的？
     A: 工作温度上下限一般都列在厂家的指标规格书上。PCB^®公司的典型精密型预极化传声器可以确保工作达到120℃，外极化传声器可以达到150℃，工作温度变化会导致灵敏度轻微变化。一个优秀的制造厂家提供一个温度系数（一般-0.007dB/ ℃），前置放大器的工作温度通常是限制因素。典型的前置放大器工作温度温度上限是60℃到80℃。高温型前置放大器通过特殊设计可以达到120℃，探管型传声器可以通过探管末端进行测量，测量温度高达800℃，探管可以让声音信号通过，并将传声器和前置放大器隔离热源。

18 Q: 置放大器会改变传声器的灵敏度吗？
     A: 会的，但是改变取决于传声器和前置放大器两者。所有制造厂家都提供单位为dB的增益（负值表示衰减）指标。衰减表示需要将传声器灵敏度减去这个值,然后得到系统灵敏度。举例说明：一个传声器诸如377B02灵敏度为50mV/Pa或者-26.02dB(re 1V/Pa)，当与426E01这样的前放一起使用时，426E01的增益为-0.05dB，这样系统灵敏度就是-26.07dB或者是49.71mV/Pa了。这个例子来说，灵敏度只改变了-0.6%，市场上的一些前置放大器的增益可以达到-0.3dB，这会导致灵敏度下跌超过3%。考虑前置放大器增益的最佳办法还是将传声器和前置放大器一起进行校准。PCB既提供单纯的传声器也提供传声器和前置放大器组合系统。

19 Q: 如果我使用377B02和426E01电缆最长可以到多少？
     A: 为了正确的回答这个问题，需要一些其它信息。电缆长度取决于一系列的因素:电缆的电容、传声器的灵敏度、最大声压级、测量频率和提供的恒流电流大小，这些都会对所用的电缆长度有影响。预极化或者ICP^®型传声器的优点之一就是可以使用同轴电缆，同轴电缆价格低而且长距离损失小。举例说明：一个50mV/Pa的传声器，用100英尺的电缆测试140dB的信号，最高测量频率可以达到9.7kHz。将恒流源电流提高到4mA,高频就可以达到25kHz了。最大声压级具有非常明显的影响。减小声压级到120dB，利用2mA ICP^®电源供电，大约500英尺电缆可以测量高达19kHz。

20 Q: PCB传声器可以测量到的最小声压级是多少？
     A: 传声器系统的本底噪声不仅仅取决于系统组成，还取决于最终用户希望测量的频率范围。传声器的本底噪声定义为dBA（人耳如何感知的噪声值）和非计权线性输出dB值（一般称为线性或者Z计权）。当前置放大器加到传声器上时，另外的噪声也会引入进来。在低频噪声主要来自前置放大器而在高频主要来自传声器。所以要综合的看所有的噪声源。
       对于本底噪声或者可以测量的最小声压级，你需要了解传声器的本底热噪声以及电子噪声（前置放大器+信号调理器+数采）。热噪声指标提供了一个传声器可以测量的最小声压级。每个传声器都有它自己的噪声特征，传声器的直径尺寸对于频率和可测的噪声有非常明显的影响。由于其尺寸和设计因素，传声器的噪声主要影响高频段，而前置放大器的电噪声主要影响低频段。下图是一个1/2英寸传声器和前置放大器的不同频率段噪声分布。

       总噪声级是频率曲线下的所有面积。不同频率，诸如在FFT或者1/3倍频程具有较小噪声值。下图是PCB^®最新的独一无二的低噪声预极化1/2英寸传声器378A04的噪声曲线。最小噪声指标是小于6.5dBA,典型5.5dBA。青色柱状图显示的是A计权频谱结果。

        即使指标里是小于6.5dBA，青色柱状图里的结果没有超过-5dBA的。这是因为1/3倍频程显示出具有较小的带宽，因此曲线下面的区域较小噪声值更低。
       红色柱状图是线性无计权dB值。这些比较高，因为A计权表示人耳感知的有衰减信号。人耳在1kHz到5kHz频段最灵敏，在这之上和之下都会衰减信号，这就是为什么在特定区域红色值较高的原因。
       选择合适的传声器需要被测声压级都在传声器的动态范围之内。动态范围的定义是下限为本底噪声，上限为谐波失真范围。一般来说，传声器直径越小，可测的声压级越高。推荐大直径传声器用于低幅值声压测量，因为本底噪声低。