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水聽器在聲場中受到水聲聲壓P的作用,產生開路電壓U,開路電壓U的大小正比于作用的水聲聲壓P的大小。因此可以得到水聽器的靈敏度M為:
M= U / P。
如水聽器在1Pa的水聲聲壓作用下,產生的開路電壓為10-3.5V,則它的靈敏度為10-3.5 V / 1 Pa =10-3.5V/Pa。
將靈敏度與基準值比較,再取對數,然后乘以20,就換算為分貝數了。
水聲中通常使用1 V/μPa作為靈敏度的基準值,這樣我們可以得到上面水聽器的靈敏度分貝值,通常我們稱之為靈敏度級(用黑斜體表示):
M= 20×lg[(10-3.5V/Pa) / (1 V/μPa)]= 20×lg(10-9.5)= -190 dB。
上面提到的水聲聲壓為交變壓力,不是靜水壓。
水聽器在不同頻率下其靈敏度是有差別的,因此,我們測量了不同頻率下水聽器的靈敏度,并記錄在測試報告中。
測量噪聲時,連接水聽器的電源和信號輸出線,用信號采集板采集水聽器的輸出信號,并加以FFT分析,可以得到水聽器的電壓譜,如30 kHz的電壓為10-2 V,40 kHz的電壓為2×10-2 V,電壓分貝數計算公式為20×lg U (式中U的單位為V),得到30 kHz的電壓分貝數為20×lg(10-2)= -40dB,40 kHz的電壓分貝數為20×lg(20-2)=-34 dB。
水聲聲壓級計算:
上面已經得到了水聽器電壓的分貝數,用該數據減去水聽器在該頻率下的靈敏度級,就得到了該頻率下的水聲聲壓級。如30 kHz時水聽器的靈敏度級為-190 dB,30 kHz的電壓分貝數為-40 dB,則30 kHz時聲壓級為-40-(-190)=150 dB。
40 kHz時水聽器的靈敏度級為-192 dB,40 kHz的電壓分貝數為-34 dB,則40 kHz時聲壓級為-34-(-192)=158 dB。
水聲專業中,聲壓的基準值為1 μPa,同樣地,聲壓級的計算是聲壓的值與聲壓的基準值比較后取對數,再乘以20后得到。例如,某頻率下聲壓為100 Pa,則它的聲壓級為
20×lg[(102Pa) / (1μPa)]= 20×lg(108)=160 dB。
我們通過逆運算,可以計算聲壓級為158 dB時聲壓的值:
10(158/20)=107.9μPa≈79.4 Pa
如果是測量發送響應或者源級,還需要折算到距聲源1米處的值,方便進行比較。折算方法如下:
假設聲源距標準水聽器距離為d米,測量得到水聽器處的聲源級為P(Pa),則換能器的發射源級SPL為(按照Pa計算):
SPL=P×d
假設聲源距標準水聽器距離為d米,測量得到水聽器處的聲源級為P(dB),則換能器的發射源級SPL為(按照dB計算):
SPL=P+20×lg(d)。
V/bar與V/uPa之間的換算:
1bar=105Pa,因此換算成dB,兩者相差220。舉例說明:
20V/bar對應20*lg(20)-220=-194dB(1V/uPa作為參考。)
水聽器自噪聲的定義:
水聽器自噪聲一般也成為水聽器本底噪聲,有自噪聲源級和自噪聲譜級兩種表示方法。自噪聲源級指工作帶寬內水聽器的噪聲總和,自噪聲譜級指工作帶寬內水聽器單位頻率寬度的噪聲。
自噪聲源級的單位是dB,參考值是1uPa;
自噪聲譜級的單位是dB,參考值是;
如果要換算成以Pa為單位,參考前面有關水聲聲壓級的計算。
發射換能器發送響應和發送源級之間的關系
換能器發送響應是指在1 V電壓激勵下,在1 m出產生的聲壓。知道換能器的發送響應后,很容易可以計算出換能器在一定電壓驅動下的發送源級。舉例說明:
某換能器的發送響應為140dB,在100V電壓驅動下,發送源級為:
140+20×lg(100)=180 dB。
即該換能器在100V電壓激勵下,在1 m處可產生180 dB的聲壓。
聲源級和距離之間的關系
聲源級和距離呈反比關系。距離增加一倍,聲源級下降一半。用對數表示為:
SPL=P - 20×lg(d)
如果在1米處聲源級為180dB,那么在100米處,聲源級為:
180-20×lg(100)=140 dB
水聽器輸出電壓的計算
水聽器在聲場中感受聲壓作用,會產生電壓輸出,根據靈敏度的定義,我們可知水聽器的電壓輸出與感受的聲壓大小成正比,以對數表示為:
U = P + M
舉例說明:
水聽器的靈敏度為-170 dB,聲場的聲壓值為150 dB,水聽器輸出的開路電壓為:
U = 150+(-170)=-20 dB。即U = 0.1 V。
水聽器電荷靈敏度和電壓靈敏度的轉換
電荷靈敏度和電壓靈敏度可以根據Q = U•C相互轉換,只是差一個電容的系數。
例如:某水聽器的電容量C為4000pF,電壓靈敏度級Mj是-210dB(ref:1V/μPa),則:
它的電壓靈敏度是10(-210/20)=3.16×10-11 V/μPa,
電荷靈敏度是Mc=Mj×C=3.16×10-11×4000×10-12
Mc=1.26×10-19 (c/μPa)=0.126 (pc/Pa)
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