高壓功率放大器在定向發聲換能器實驗中的應用

　　實驗名稱：透明式定向發聲換能器實驗測試

　　實驗原理：本實驗所研究的透明式定向發聲換能器是種新型的換能器，換能器可聽聲聲壓級測試和頻率響應測試目的確定換能器的一階諧振頻率和在該頻率下工作時的遠場聲壓級大小。由于測試時會受到環境噪聲的干擾，因此需要將整個系統置于消聲室內，使用信號發生器發射頻率在超聲波范圍內的掃頻信號，將麥克風置于換能器聲軸的遠場距離處進行測試，采集聲壓級大小的數據，繪制該測試樣品的頻響曲線。換能器指向性測試目的是確定換能器工作在其一階諧振頻率時的聲場分布情況，測試其主瓣聲束是否集中，能否有效的抑制旁瓣信號。需要一個轉臺，通過控制轉臺旋轉，測試換能器中心聲軸所在平面的聲場分布，繪制平面二維指向性圖。聲頻定向換能器測試系統如圖一所示。

　　測試設備：信號發生器、ATA-4011B高壓功率放大器、信號采集設備、換能器、傳聲器、示波器

圖一聲頻定向換能器測試系統

　　實驗過程：換能器超聲聲壓級和頻響測試作為所有測試內容中的第一重點工作，系統框圖如圖二所示。

圖二頻率測試系統框圖

　　首先，對測試所用麥克風，使用標準音源校準計進行校準，獲得麥克風測試即時情況下電壓值與聲壓級的轉換關系;然后，使用信號發生器產生幅值10Vpp、頻率1kHz~100kHz信號，輸出信號通過ATA-4011功率放大器放大10倍后作為待測樣品的驅動信號和示波器輸入信號。樣品振動發聲后，由麥克風在距離樣品定距接收，輸入動態分析儀，通過示波器波形判斷樣品輸入信號的有效性后，記錄動態分析儀波形峰值作為頻響原始數據。最后，根據測試前校準結果對測試數據進行校準，得到頻率與聲壓級對應數據并繪制直觀頻響曲線。其中，測試環境需在消聲室中或采用消聲箱設備，麥克風與換能器距離默認10cm，若需特殊測試在根據情況改變測試距離。

　　透明式定向發聲換能器的可以利用超聲波的特性產生高指向性的可聽聲信號，因此需要進行指向性的測試，測試所設計透明式定向發聲換能器指向性性能的好壞，測試該換能器能否有效的抑制旁瓣信號。

圖三指向性測試系統框圖

　　首先，將整個透明式定向發聲換能器系統放置在消聲室內，將換能器固定在可以360度旋轉的轉臺上，收音麥克風放置在換能器中心軸的正前方。對測試所用麥克風，使用標準音源校準計進行校準，獲得麥克風測試即時情況下電壓值與聲壓級的轉換關系;然后，通過頻響測試得到樣品對應的諧振頻率，使用信號放大器產生幅值10Vpp、頻率取值5kHz的信號，輸出信號通過ATA-4011功率放大器放大10倍后作為待測樣品的驅動信號和示波器輸入信號。

　　樣品振動發聲后，由麥克風在距離樣品10cm處接收信號，輸入動態分析儀通過示波器波形判斷樣品輸入信號的有效性后，記錄動態分析儀波形峰值作為頻響原始數據。樣品角度測試范圍±90°，變化步長為5°，每次角度變化后均重復進行本次步驟，每次轉動轉臺后記錄數據，從而得到在各個角度上，換能器中心聲軸所在平面內的聲壓級大小:最后，根據測試前校準結果對測試數據進行校準，得到頻率、角度與聲壓級對應數據并繪制直觀指向性圖。其中，頻率的取值范圍、樣品角度變化范圍、步長均為參考值，可按當時實際情況調整。測試示意圖如圖四所示。

圖四指向性測試示意圖

　　實驗結果：最終制作而成的樣品如圖五所示，陣元個數為54。因加工工藝的限制，所制作的樣品存在低精度的問題，導致多組樣品無法得到正確的測試結果，基于這種情況，將樣品進行細致的篩選，提高實驗測試的高效性，以幾組精度良好的換能器樣品為例，根據測試結果驗證仿真結果的正確性以及所設計換能器的可行性。

圖五制作樣品圖

　　將樣品置于消聲室中進行一階諧振頻率、聲壓級大小和指向性的測試，通過將一系列的樣品進行測試后，剔除不可控的因素和加工導致的樣品不規范的原因，得到了兩組測試結果較好的數據。測試得到的頻響曲線如圖五（a）所示，得到的指向性如圖六(b)所示。

圖六樣品測試結果

　　通過理論計算和仿真結果，54個陣元的陣列在10cm處的聲壓級大小應比單個陣元仿真得到的在1cm處的聲壓級要多14.6dB，測試所得的一階諧振頻率值以及聲壓級的大小和仿真基本一致。

圖：ATA-4011C高壓功率放大器指標參數

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