高压功率放大器在超声驻波声场的听声器中的应用

实验名称：高压功率放大器在超声驻波声场的听声器声压测量中的应用

研究方向：3D打印

测试目的：利用听声器对声场的测量是一种基于对声压的采集，利用CPB分析及FFT分析处理，得到涉入点声压的方法。介于听声器采集信号为时域信号，而对于信号的分析，虽时域信号可直观观测信号形状，但这一特性需基于较短时间观测，且不能利用有限参数对信号进行描述，成分析困难，采样周期再密集也无法一的还原出原始信号。而对于频域信号的处理，可将复杂信号分解为正弦信号等多个简单信号，可对采集信号进行构造分析。对信号进行频域分析的方法是利用FFT分析，将时域信号描述成与之相对的频域信号，在频域信号中发现频谱的规律来提取信号特征。而CPB分析是分析振动信号的一种常用手段在声学、结构相应、振动学等方面有广泛应用。

测试设备：ATA-4052高压功率放大器、信号发生器、监测输入信号的示波器、麦克风、声学测试分析仪、前置放大器、换能器、冷水机、计算机。

图：超声驻波声场的听声器测量系统

实验过程：该测量系统设计为利用换能器振动产生声场；使用信号发生器对换能器进行驱动，并使用安泰ATA-4052功率放大器来调节功率；使用示波器观测以调节谐振频率点；由于换能器工作过程中发热将影响其性能，使用冷水机提供恒温恒流恒压的冷却水，对工作状态的换能器进行散热；因声场中存在传感器等干扰物，将对声场本身的特性产生一定影响，干扰物所在位置的高频声场将发生变化，测得声压值将不准确，故使用可避免此情况的1/4英寸预较化自由场测量传声器的麦克风对声场感知，对传声器频响进行调整，补偿因涉入声场在声场中对高频声压造成的误差，以测得无畸变的真实声压；使用的放大器为1/4英寸麦克风前置放大器，连接麦克风和数据分析装置并校准电荷注入及整个测量系统；数据分析装置为声学测试分析仪，对提取点处的声压、记录，并利用包括FFT频带提取在内的FE频谱分析及CPB分析电的标准滤波器1/3倍频程分析进行数据后处理；在保证听声器与变幅杆轴线在同一直线上的基础上，利用移动平台从远到近依次移动听声器，测试并记录测试点声压及测试点与换能器端面距离。变化换能器功率，测量多组数据，而后统计数据进行进一步分析。

实验结果：利用上述听声器声压测量实验系统进行对声场的测量，由于麦克风具有指向性，首先探究听声器指向性对声场测量的影响程度，设置听声器横向纵向，结果如图1所示，听声器横向放置波动明显剧烈且声压幅值明显小于纵向放置，则麦克风的指向性对测量声场影响较大，选择纵向放置进行测量。

图1：听声器指向性结果实验

测量结果轴线位置声压分布如图2-a)所示，不同径向位置轴向的声压分布曲线如图2-b)所示。根据声场测量结果，利用MATLAB绘制三维声场分布图利用mesh指令编程进行绘制利用三维点插值griddata对数据绘制曲面图进行平滑过渡，绘制三维声场声压分布图。

图2：测量结果轴线位置分布图

由图2-a结果分布曲线可知，声压测量结果中存在波动，这是由于所测声场由较小振幅较小功率产生，在较小声压声场中能量存在波动现象，但可知波动范围大小与波长相关，故波动范围大小为仿真正确与否的判断依据之一；由图2a也可看出较大能量节点位置为22mm附近，在声场声压分布规律相同时，较大能量节点位置相同，较大能量节点位置为仿真正确与否的判断依据之一，由图2-b结果所示，轴线位置声压幅值明显大于其他径向位置，越远离轴线的位置声压越小。

图3：不同功率声压分布曲线

调节换能器输出功率，测量不同输出功率换能器轴线方向的声压分布，实验结果规律曲线如图3所示。输出功率越大，声场声压越大，声压分布规律相似，但大输出功率声场的波动较少。

安泰ATA-4052高压功率放大器：

图：高压功率放大器ATA-4052指标参数

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