桂 桂，姚小兵，鄂治群，张海锭，万宇鹏，谢荣基

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021)

噪声监测系统传声器的温度特性实验研究

桂 桂，姚小兵，鄂治群，张海锭，万宇鹏，谢荣基

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021)

针对温度变化引起传声器性能改变，导致噪声测量结果出现误差的问题。该文在研究现有性能评价方法和户外传声器结构的基础上，讨论温度对传声器膜片张力的影响因素，然后对电容传声器膜片进行热应变有限元分析，并选用3只不同传声器进行温度环境实验，得出在实验温度范围-20～50℃内，传声器灵敏度和频响随温度变化的特性曲线。实验表明：有限元结果与环境实验结果相结合，对户外传声器的设计制造和使用具有一定的理论指导意义。

电容传声器；温度特性；有限元；环境实验

我国现行标准及规范规定对传声器的校准必须在标准实验环境下进行，对户外传声器特殊的应用环境并未考虑[2]。在GB/T 20441.4——2006《测量传声器 第4部分：工作标准传声器规范》中，提到了小幅且缓慢的温度变化会引起传声器性能的可逆变化，且提出在-10～50℃范围内温度对灵敏度的影响应作为频率的函数给出[3]。由于户外噪声监测装置长期安放于复杂气候环境下，温湿度、降雨等气候因素都会对传声器的性能产生影响。在这些方面，国内外曾有部分学者进行过研究，讨论了气压和温度等对传声器性能变化的影响，给传声器设计制造提供了技术参考[4]。Yasuno等[5]讨论了在温度影响下，以涤纶树脂（PET)和全氟乙烯丙烯共聚物（FEP)为膜片材料的传声器频响特性，吴宗汉等[6]从设计生产的角度分析了影响驻极体电容传声器的主要因素。随着ANSYS等商业化软件的应用，数值分析方法给传声器温度特性的研究带来了便利。本文在研究现有性能评价方法和传声器结构的基础上，使用有限元方法分析了传声器膜片在-20～50℃的热应变，并结合温度环境实验讨论了温度对传声器灵敏度和频响特性的影响。

1 传声器特性

传声器按换能形式，可以分为动圈式、电容式、碳粒式和压电式等。其中电容传声器因其频响范围宽、灵敏度高、瞬态响应好、非线性失真小而得以广泛应用。常见的电容传声器结构模型如图1所示。

传声器主要工作部分为振膜到背极板，经过极化处理，振膜和背极板构成了一个平板电容器，当振膜受到声音激发时产生振动，从而在两极板之间产生相应的电容变化，通过电容的改变量就得出了作用在膜片上的声压大小[7]。

图1 常见电容传声器结构模型

普通电容传声器的灵敏度K与结构参数之间的关系[8]可以表示为

式中：A——常数；

Eb——驻极体电压；

Sd——振膜等效刚度；

Sb——背极板后空腔等效刚度；

gm、RL——互导和负载电阻，为转换电路的电学特性指标。

根据上式，温度对传声器性能的影响主要体现在Sd、Sb、gm和RL上。换言之，在温度发生变化时振膜材料的刚度变化和电路的电学特性变化是传声器灵敏度变化的主要因素。由于传声器材料特性不同，将呈现出不同的灵敏度应变特征。以下将通过有限元分析和环境模拟实验，讨论温度变化对传声器性能的影响。

2 膜片的热应变分析

在电容传声器制作中，膜片通常采用FEP材料绷紧胶粘于金属环上切割而成，膜片张力需预设至指定大小以满足实际需要[9]。当温度发生变化时，传声器膜片产生的热应力会改变膜片张力的大小，这是导致传声器灵敏度随温度发生改变的原因之一[10]。因此对传声器膜片进行热应变的有限元计算，计算结果与环境实验结果相互验证，可以得到不同温度对传声器灵敏度及频响特性的影响。

对传声器膜片结构进行建模并划分网格，结构尺寸按照GB/T 20441.4——2006中WS2P/F/D型传声器的标准尺寸进行建模。本模型属于多体结构，膜片与外壳为同一零件的不同体，需将二者进行拓扑分享后再划分网格，这样才能使零件网格连续。由于传声器膜片极薄（20μm)，建模时网格划分密度不宜过大以免影响计算精度，实际划分时采用0.1mm六面体网格进行划分。为便于计算，模型将背极板等不影响膜片热分析结果的部分进行了简化，网格划分结果如图2所示。膜片材料为FEP，其特性如表1[11]所示。

将标准测量传声器规范工作于-10～50℃温度范围的下限扩展至-20℃，即-20～50℃作为实验温度范围。每10℃为一点共8个温度点，模拟膜片在不同温度下受到1 Pa均匀压力作用下的形变分布情况如图 3所示，由于在 10，20，30，40℃时形变不明显，因此仅给出-20，-10，0，50℃下膜片的形变分布。其应变最大/最小值分布曲线如图4所示。

图2 网格划分

表1 FEP材料特性

图3 膜片形变分布

图4 应变最大/最小值曲线

随着传声器应变增大，其所受张力变小，导致灵敏度降低，所以在温度作用下膜片的应变发生改变从而导致张力变化影响灵敏度，并且该现象在低温环境下更为显著。

3 环境模拟实验

实验有两种方式：以初始温度（20℃)为起点，先降至-20℃再升温至50℃称为升温实验；先升至50℃再降温至-20℃称为降温实验。

因实验箱在非工作状态下未与外界隔绝，内部存在水汽。若先进行升温实验，温度较低时实验箱内结霜，冰霜融化覆盖在传声器膜片上影响准确性，并在温度升高的过程中水汽蒸腾造成箱内湿度过大，此时传声器灵敏度变化是在温度和湿度共同影响下的结果，无法对数据进行有效分析。因此，实验时先将恒温箱预热至50℃，待箱内湿度降低到较低水平时进行实验，最大限度地避免湿度对实验结果的影响。

3.1 传声器的稳定性

选择结构相同、频率范围及动态范围相近的3支不同厂商生产的户外传声器（以A、B、C编号)，分别进行3次温度变化实验，记录数据后分析实验结果。所有传声器均在干燥箱中存放超过一年以上，期间3次校准测试灵敏度结果如表2所示。

表2 3次校准测试灵敏度结果 mV/Pa

3次测试间隔时间均为3个月以上，测试结果表明3支传声器性能稳定，保证实验结果可靠。

实验前，使用静电激励器对3支传声器频响曲线进行测试，测试结果如图5所示。可以看到，户外传声器的频率范围上限较低，在频率为20～8000Hz的范围内基本平坦，在8 000 Hz以上的范围衰减较为明显。

3.2 模拟实验结果

将3只1/2 in（1 in=0.025 4 m)传声器同时放入恒温箱，将温度调整为50℃，静置2h后进行第1次测试，然后依次降温到 40，30，20，10，0，-10，-20℃，重复3次后得到测试传声器灵敏度随温度变化的插值曲线如图6所示。

图5 传声器频响曲线

图6 灵敏度随温度变化插值曲线

该结果与应变曲线进行对比，可以看到在20℃以下应变曲线随温度降低而变大，灵敏度降低；20℃以上时，虽然随温度升高应变增大，但灵敏度略有起伏，即二者之间为非线性关系，说明此时除膜片张力变化外有其他因素影响了传声器的灵敏度。

测试在-20，-10，20，50℃时传声器 A 的频响特性，得到在不同温度下，传声器A的频响特性变化曲线如图7所示。

图7 不同温度下传声器A频响特性变化曲线

图中纵坐标轴为灵敏度修正值（校准值减实测值，低温校准值大于实测值，即灵敏度降低；高温时受到除温度以外因素的影响但总体呈现灵敏度升高)。可以看出，传声器在户外环境下工作时，传声器频响特性随温度变化而改变，这将可能导致噪声测试结果出现误差。在户外工作环境下，测量误差可能比实验室测量误差更大。

4 结束语

户外传声器因其工作条件的特殊性需考虑其气候环境适应性，否则将可能造成结果不可靠并且影响设备实际使用寿命。本文在现有传声器校准方法和结构设计的基础上，探讨了影响传声器灵敏度变化的主要因素，通过有限元方法得出了温度对传声器膜片张力的影响。有限元结果与传声器的环境模拟实验相结合为今后户外传声器设计制造提供了技术参考。

[1]王琳娜，景妮琴，吴国乔.通过扬声器振膜位移测试频响曲线[J].中国测试，2013，39（5)：31-33.

[2] 战丰丰.传声器在复杂环境中的应用研究[D].太原：中北大学，2010.

[3] 测量传声器 第4部分：工作标准传声器：GB/T 20441.4-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[4]商玉芬，张美娥，肖鉴.电容传声器声压灵敏度校准的气压修正[J].声学技术，1988（1)：13-18.

[5]YASUNO Y，OHGA J.Temperature characteristics of electret condenser microphones[C]∥International Symposium on Electrets IEEE.IEEE，2006.

[6]吴宗汉.振膜系统材料特性对传声器相关特性影响分析[J].电声技术，2009，33（10)：17-19.

[7] 郭淑菊.电容传声器的建模及性能分析[D].太原：中北大学，2016.

[8]MIURA K，YASUNO Y.Long-term sensitivity changes in electret condenser microphones[J].Journal of the Acoustical Society of Japan，2011，18（1)：29-35.

[9]吴宗汉.驻极体电容传声器温度特性分析和改进对策[J].电声技术，2010，34（5)：22-26.

[10]传声器通用技术条件：GB/T 14198-1993[S].北京：中国计量出版社，1993.

[11]成云平，武文革，杜晓军，等.嵌入式薄膜微传感器的ANSYS分析与应用[J].制造技术与机床，2014（6)：134-137.

Research on the temperature characteristics of microphone of noise monitoring system

GUI Gui， YAO Xiaobing， E Zhiqun， ZHANG Haiding， WAN Yupeng， XIE Rongji
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

Aiming at the problem of the temperature variation has a great influence on the performance of the microphone which may lead to deviation of noise measurement results，on the basis of the research on the existing performance evaluation methods and structure of outdoor microphone，the analysis of microphone diaphragm tension influence factors and thermal strain finite element analysis for condenser microphone diaphragm were carried out in this paper.After thatthe temperature environmenttestofthree differentmicrophones wascarried out， the characteristic curves ofmicrophone sensitivity and frequency response were obtained with temperature range of-20-50℃.The test shows that finite element results are in conformity with environmental test results and have certain theoretical guidance significance for design，manufacture and application of outdoor microphone.

condenser microphone； temperature characteristic； finite element； environmental experiment

A

1674-5124（2017）10-0123-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.024

0 引 言

随着户外噪声污染问题日益受到关注，我国大部分城市陆续安装户外噪声监测装置用于监测环境噪声。因地域不同，气候条件差异较大，户外传声器在工作过程中受温湿度变化、霜冻降雨、风沙灰尘等影响会有一定的性能改变，在气候恶劣昼夜温差较大的地区更为严重[1]。传声器的薄膜状结构在热胀冷缩的作用下会发生改变，因此研究户外传声器的温度特性对实际使用具有指导意义。

2017-05-15；

2017-06-24

四川省科技支撑计划（2013GZ0010)

桂 桂（1989-)，男，河南洛阳市人，助理工程师，硕士，研究方向为声学测试技术与仪器。

（编辑：李妮）