實驗名稱：高壓功率放大器在超聲駐波聲場的聽聲器聲壓測量中的應用

　　研究方向：3D打印

　　測試目的：利用聽聲器對聲場的測量是一種基于對聲壓的采集，利用CPB分析及FFT分析處理，得到涉入點聲壓的方法。介于聽聲器采集信號為時域信號，而對于信號的分析，雖時域信號可直觀觀測信號形狀，但這一特性需基于極短時間觀測，且不能利用有限參數對信號進行描述，成分析困難，采樣周期再密集也無法唯一的還原出原始信號。而對于頻域信號的處理，可將復雜信號分解為正弦信號等多個簡單信號，可對采集信號進行構造分析。對信號進行頻域分析的方法是利用FFT分析，將時域信號描述成與之相對的頻域信號，在頻域信號中發現頻譜的規律來提取信號特征。而CPB分析是分析振動信號的一種常用手段在聲學、結構相應、振動學等方面有廣泛應用。

　　測試設備：ATA-4052高壓功率放大器、信號發生器、監測輸入信號的示波器、麥克風、聲學測試分析儀、前置放大器、換能器、冷水機、計算機。

 

　　圖：超聲駐波聲場的聽聲器測量系統

　　實驗過程：該測量系統設計為利用換能器振動產生聲場；使用信號發生器對換能器進行驅動，并使用安泰ATA-4052功率放大器來調節功率；使用示波器觀測以調節諧振頻率點；由于換能器工作過程中發熱將影響其性能，使用冷水機提供恒溫恒流恒壓的冷卻水，對工作狀態的換能器進行散熱；因聲場中存在傳感器等干擾物，將對聲場本身的特性產生一定影響，干擾物所在位置的高頻聲場將發生變化，測得聲壓值將不準確，故使用可避免此情況的1/4英寸預極化自由場測量傳聲器的麥克風對聲場感知，對傳聲器頻響進行調整，補償因涉入聲場在聲場中對高頻聲壓造成的誤差，以測得無畸變的真實聲壓；使用的放大器為1/4英寸麥克風前置放大器，連接麥克風和數據分析裝置并校準電荷注入及整個測量系統；數據分析裝置為聲學測試分析儀，對提取點處的聲壓采集、記錄，并利用包括FFT頻帶提取在內的FE頻譜分析及CPB分析電的標準濾波器1/3倍頻程分析進行數據后處理；在保證聽聲器與變幅桿軸線在同一直線上的基礎上，利用移動平臺從遠到近依次移動聽聲器，測試并記錄測試點聲壓及測試點與換能器端面距離。變化換能器功率，測量多組數據，而后統計數據進行進一步分析。

　　實驗結果：利用上述聽聲器聲壓測量實驗系統進行對聲場的測量，由于麥克風具有指向性，首先探究聽聲器指向性對聲場測量的影響程度，設置聽聲器橫向縱向，結果如圖1所示，聽聲器橫向放置波動明顯劇烈且聲壓幅值明顯小于縱向放置，則麥克風的指向性對測量聲場影響較大，選擇縱向放置進行測量。

 

　　圖1：聽聲器指向性結果實驗

　　測量結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。根據聲場測量結果，利用MATLAB繪制三維聲場分布圖利用mesh指令編程進行繪制利用三維點插值griddata對數據繪制曲面圖進行平滑過渡，繪制三維聲場聲壓分布圖。 

圖2：測量結果軸線位置分布圖

　　由圖2-a結果分布曲線可知，聲壓測量結果中存在波動，這是由于所測聲場由較小振幅較小功率產生，在較小聲壓聲場中能量存在波動現象，但可知波動范圍大小與波長相關，故波動范圍大小為仿真正確與否的判斷依據之一；由圖2a也可看出最大能量節點位置為22mm附近，在聲場聲壓分布規律相同時，最大能量節點位置相同，最大能量節點位置為仿真正確與否的判斷依據之一，由圖2-b結果所示，軸線位置聲壓幅值明顯大于其他徑向位置，越遠離軸線的位置聲壓越小。

　　圖3：不同功率聲壓分布曲線

　　調節換能器輸出功率，測量不同輸出功率換能器軸線方向的聲壓分布，實驗結果規律曲線如圖3所示。輸出功率越大，聲場聲壓越大，聲壓分布規律相似，但大輸出功率聲場的波動較少。

　　安泰ATA-4052高壓功率放大器：

　　圖：高壓功率放大器ATA-4052指標參數

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