本发明涉及传感器领域,尤其涉及一种利用匹配层对矢量传感器进行校准的装置。
背景技术:
传感器俗称麦克风,是一种将声信号转换成电信号的装置。传统的麦克风按照工作原理分为动圈式、电容式、驻极体式、铝带式等。以动圈式麦克风为例,膜片受声音信号冲击,带动线圈在磁场中运动产生电流输出。对于传统的传感器只能用于测量声场中的标量参数,如声压;而矢量传感器是通过检测质点振速来获得声场信息,兼具了低频灵敏度高、尺寸小、能更好抑制环境噪声的优势。
灵敏度作为衡量麦克风的重要技术指标,其定义是以膜片受一单位声压作用时,输出端开路时输出电压的多少来表示,单位为mv/pa。传感器作为一种接收设备,测量时会受到环境中温度湿度的影响,因此在使用之前,往往需要对传感器进行校准。如:若传感器标准灵敏度是50mv/pa,校准实验测试显示是60mv/pa,则需要一校准系数α,数值为标准灵敏度值与实际测试值之比。
对于传统的标量传感器测量声场中的声压,声压是标量,校准方式也比较简单,只需将标量传感器放在一个密闭声场空间中即可;而对于矢量传感器,由于需要测试质点振速,振速是矢量,若声传播过程中遇到硬边界,则边界处声压最大,而质点振速最小,甚至为零,这样就无法对矢量传感器进行校准。因此,标量传感器的校准方法不再适用于矢量传感器的校准。
已有的矢量传感器校准方法主要有:近场校准、小球体校准、单极子和偶极子校准、阵列校准、驻波管校准、振动器校准等。以驻波管校准为例,装置结构包含箱体、声源、参考标量传感器和待校准的矢量传感器,声源置于箱体的一端,标量传感器置于与声源相对的另一端。矢量传感器的质点振速uprobe和标量传感器的声压pref之间关系式为
技术实现要素:
针对以上现有技术中存在的问题,本发明提供一种利用匹配层实现矢量传感器校准的装置。
为达上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种利用匹配层实现矢量传感器校准的装置,包括箱体、声源和待校准的矢量传感器;所述箱体为封闭式的空腔结构,空腔结构的内部和外部的介质相同;所述声源发出的声波进入箱体内传播至待校准的矢量传感器,所述箱体材料的特性阻抗值与周围介质的特性阻抗值大小相等。
进一步地,所述空腔结构的内部和外部的介质为空气或者水。
进一步地,所述箱体材料为橡胶或者气凝胶。
进一步地,所述箱体的形状为多面体、圆柱体、球体或者椭球体。
进一步地,所述声源为喇叭。
进一步地,所述待校准的矢量传感器设置在箱体的侧壁上,并探入箱体的空腔结构内。
进一步地,所述待校准的矢量传感器置于箱体的中部位置或者远离声源的位置。
本发明的校准装置,其箱体采用特性阻抗与周围介质一致的材料,从而使得声波传播的边界具有完美透声效果,可以实现对矢量传感器的校准,而无需额外使用标量传感器,从结构上简化了矢量传感器校准实装置。
附图说明
图1为用于传统标量传感器校准的装置结构示意图。
图2为校准装置采用硬边界时针对1pa声源进行仿真的结果,(a)是声场中的声压分布,(b)是质点振速分布。
图3为本发明用于矢量传感器校准的装置结构示意图。
图4为校准装置采用阻抗匹配材料后针对1pa声源进行仿真的结果,(a)是声场中的声压分布,(b)是质点振速分布。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
用于传统标量传感器校准的装置结构如图1所示,包括箱体1、声源2和待校准的标量传感器3。其中,箱体1包括密闭的空腔腔体,结构可以是长方体、正方体、圆柱形、球体或者其他形状。声源2采用喇叭,放置在箱体1的左侧,喇叭出声处探入到箱体1中。待校准的标量传感器3置于箱体1的上方,位于中部或者远离声源2的位置,并探入到箱体1中。箱体1的尺寸应大于喇叭和传感器的尺寸。此外考虑到便携性,箱体1的尺寸应越小越好,以直径3cm的喇叭、需要校准的传感器为1/2英寸麦克风为例,箱体1的尺寸可设计为长宽高4cm的正方体。
箱体1的材料可以是铝、钢等特性阻抗大于空气或者水的材料,如:当待校准的标量传感器3为空气传感器时,则箱体1的内部和外部均为空气,箱体1采用特性阻抗大于空气的特性阻抗(415n·s/m3)的材料;当待校准的标量传感器3为水听器时,则箱体1的内部和外部均为水,箱体1采用特性阻抗大于水的特性阻抗(1.48e6n·s/m3)的材料。一般情况下固体材料的特性阻抗更大,所以声波传播的边界4可以看作硬边界。
以水中传感器应用为例,图2是硬边界时针对1pa声源进行仿真的结果(如无特殊说明,以下仿真中声源均在左侧),仿真设置中将腔体进行二维结构简化,图2(a)是声场中的声压分布,图2(b)是质点振速分布,横纵坐是腔体平面的尺寸标注,图中颜色表明的是腔体结构中声场声压分布。可以看出,由于声波反射,声压数值在2pa,传统标量传感器测得是声压,则图1的装置可用于标量传感器校准;而质点振速在边界处急速减小,接近于零,不能进行矢量传感器的校准。
声波从媒质1传播到媒质2过程中遇到分界面,设入射声压是pi=piaej(wt-kx),其中pia为入射声压幅值,w为振动圆频率,k为波数,反射波声压是pr=praej(wt+kx),其中pra为反射声压幅值,则入射波的声质点振速是
因此,声源2的声波在传播过程中,若遇到硬边界,反射波声压与入射波声压同相位,而反射波质点振速与入射波质点振速相位相差180°。若是十分坚硬的边界,反射波质点振速与入射波质点振速大小相等,相位相反,在分界面上合成质点振速为零。矢量传感器测试质点振速,此时振速为零,无法进行校准,因此需要将边界处设置成透声效果,此时声波继续传播,可对矢量传感器进行校准。
基于以上分析,本实施例将声波传播方向终点一侧的边界改成可阻抗匹配的材料6,具体装置结构如图3所示。针对矢量传感器校准,需要测量质点振速,则质点振速应均匀分布,将边界处材料换成与两侧媒质阻抗匹配的材料6后,图4是阻抗匹配后针对1pa声源进行仿真的结果。从图中可以看出,此时质点振速分布均衡,数值在4.77e-7m/s,因此,可将待校准的矢量传感器5探入到腔体中进行校准。例如,对于水听器,箱体1的内腔和外部均采用水介质,箱体1的边界采用与水的特性阻抗值大小基本相等的橡胶材料,即可实现对水听器的校准。对于空气矢量传感器,箱体1的内腔和外部均为空气,箱体1边界的材料6采用气凝胶,即可实现对空气矢量传感器的校准。