實(shí)驗(yàn)名稱：高壓功率放大器在超聲駐波聲場(chǎng)的聽(tīng)聲器聲壓測(cè)量中的應(yīng)用

研究方向：3D打印

測(cè)試目的：利用聽(tīng)聲器對(duì)聲場(chǎng)的測(cè)量是一種基于對(duì)聲壓的采集，利用CPB分析及FFT分析處理，得到涉入點(diǎn)聲壓的方法。介于聽(tīng)聲器采集信號(hào)為時(shí)域信號(hào)，而對(duì)于信號(hào)的分析，雖時(shí)域信號(hào)可直觀觀測(cè)信號(hào)形狀，但這一特性需基于極短時(shí)間觀測(cè)，且不能利用有限參數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行描述，成分析困難，采樣周期再密集也無(wú)法唯一的還原出原始信號(hào)。而對(duì)于頻域信號(hào)的處理，可將復(fù)雜信號(hào)分解為正弦信號(hào)等多個(gè)簡(jiǎn)單信號(hào)，可對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行構(gòu)造分析。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析的方法是利用FFT分析，將時(shí)域信號(hào)描述成與之相對(duì)的頻域信號(hào)，在頻域信號(hào)中發(fā)現(xiàn)頻譜的規(guī)律來(lái)提取信號(hào)特征。而CPB分析是分析振動(dòng)信號(hào)的一種常用手段在聲學(xué)、結(jié)構(gòu)相應(yīng)、振動(dòng)學(xué)等方面有廣泛應(yīng)用。

測(cè)試設(shè)備：ATA-4052高壓功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)的示波器、麥克風(fēng)、聲學(xué)測(cè)試分析儀、前置放大器、換能器、冷水機(jī)、計(jì)算機(jī)。

圖：超聲駐波聲場(chǎng)的聽(tīng)聲器測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：該測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)為利用換能器振動(dòng)產(chǎn)生聲場(chǎng)；使用信號(hào)發(fā)生器對(duì)換能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并使用安泰ATA-4052功率放大器來(lái)調(diào)節(jié)功率；使用示波器觀測(cè)以調(diào)節(jié)諧振頻率點(diǎn)；由于換能器工作過(guò)程中發(fā)熱將影響其性能，使用冷水機(jī)提供恒溫恒流恒壓的冷卻水，對(duì)工作狀態(tài)的換能器進(jìn)行散熱；因聲場(chǎng)中存在傳感器等干擾物，將對(duì)聲場(chǎng)本身的特性產(chǎn)生一定影響，干擾物所在位置的高頻聲場(chǎng)將發(fā)生變化，測(cè)得聲壓值將不準(zhǔn)確，故使用可避免此情況的1/4英寸預(yù)極化自由場(chǎng)測(cè)量傳聲器的麥克風(fēng)對(duì)聲場(chǎng)感知，對(duì)傳聲器頻響進(jìn)行調(diào)整，補(bǔ)償因涉入聲場(chǎng)在聲場(chǎng)中對(duì)高頻聲壓造成的誤差，以測(cè)得無(wú)畸變的真實(shí)聲壓；使用的放大器為1/4英寸麥克風(fēng)前置放大器，連接麥克風(fēng)和數(shù)據(jù)分析裝置并校準(zhǔn)電荷注入及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析裝置為聲學(xué)測(cè)試分析儀，對(duì)提取點(diǎn)處的聲壓采集、記錄，并利用包括FFT頻帶提取在內(nèi)的FE頻譜分析及CPB分析電的標(biāo)準(zhǔn)濾波器1/3倍頻程分析進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理；在保證聽(tīng)聲器與變幅桿軸線在同一直線上的基礎(chǔ)上，利用移動(dòng)平臺(tái)從遠(yuǎn)到近依次移動(dòng)聽(tīng)聲器，測(cè)試并記錄測(cè)試點(diǎn)聲壓及測(cè)試點(diǎn)與換能器端面距離。變化換能器功率，測(cè)量多組數(shù)據(jù)，而后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：利用上述聽(tīng)聲器聲壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)聲場(chǎng)的測(cè)量，由于麥克風(fēng)具有指向性，首先探究聽(tīng)聲器指向性對(duì)聲場(chǎng)測(cè)量的影響程度，設(shè)置聽(tīng)聲器橫向縱向，結(jié)果如圖1所示，聽(tīng)聲器橫向放置波動(dòng)明顯劇烈且聲壓幅值明顯小于縱向放置，則麥克風(fēng)的指向性對(duì)測(cè)量聲場(chǎng)影響較大，選擇縱向放置進(jìn)行測(cè)量。

圖1：聽(tīng)聲器指向性結(jié)果實(shí)驗(yàn)

測(cè)量結(jié)果軸線位置聲壓分布如圖2-a)所示，不同徑向位置軸向的聲壓分布曲線如圖2-b)所示。根據(jù)聲場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，利用MATLAB繪制三維聲場(chǎng)分布圖利用mesh指令編程進(jìn)行繪制利用三維點(diǎn)插值griddata對(duì)數(shù)據(jù)繪制曲面圖進(jìn)行平滑過(guò)渡，繪制三維聲場(chǎng)聲壓分布圖。

圖2：測(cè)量結(jié)果軸線位置分布圖

由圖2-a結(jié)果分布曲線可知，聲壓測(cè)量結(jié)果中存在波動(dòng)，這是由于所測(cè)聲場(chǎng)由較小振幅較小功率產(chǎn)生，在較小聲壓聲場(chǎng)中能量存在波動(dòng)現(xiàn)象，但可知波動(dòng)范圍大小與波長(zhǎng)相關(guān)，故波動(dòng)范圍大小為仿真正確與否的判斷依據(jù)之一；由圖2a也可看出最大能量節(jié)點(diǎn)位置為22mm附近，在聲場(chǎng)聲壓分布規(guī)律相同時(shí)，最大能量節(jié)點(diǎn)位置相同，最大能量節(jié)點(diǎn)位置為仿真正確與否的判斷依據(jù)之一，由圖2-b結(jié)果所示，軸線位置聲壓幅值明顯大于其他徑向位置，越遠(yuǎn)離軸線的位置聲壓越小。

圖3：不同功率聲壓分布曲線

調(diào)節(jié)換能器輸出功率，測(cè)量不同輸出功率換能器軸線方向的聲壓分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律曲線如圖3所示。輸出功率越大，聲場(chǎng)聲壓越大，聲壓分布規(guī)律相似，但大輸出功率聲場(chǎng)的波動(dòng)較少。

安泰ATA-4052高壓功率放大器：

圖：高壓功率放大器ATA-4052指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯黃昊宇