传声器的使用应注意哪些问题?「工欲善其事必先利其器|传声器校准的必要性」

引言
在最近的几十年中，声学测试的应用范围变得越来越广泛，并且在军事、工业、医疗和建筑等方面发挥着至关重要的作用，其中随着环境噪声污染的日趋严重，户外噪声监测研究得到了极大发展。
图1 常见的手持式声压级测量仪
随着传声器阵列的小型化和阵列信号处理技术的成熟，小型化民用级传声器阵列在单一目标噪声源监测过程中起到关键作用。传声器及传声器阵列作为噪声源定位的关键部件，为确保其测量准确，需要对其进行校准。校准包括单个传声器的灵敏度校准、相位失配校准和阵列整体幅相失配校准。

引言

在最近的几十年中，声学测试的应用范围变得越来越广泛，并且在军事、工业、医疗和建筑等方面发挥着至关重要的作用，其中随着环境噪声污染的日趋严重，户外噪声监测研究得到了极大发展。

图1 常见的手持式声压级测量仪

随着传声器阵列的小型化和阵列信号处理技术的成熟，小型化民用级传声器阵列在单一目标噪声源监测过程中起到关键作用。传声器及传声器阵列作为噪声源定位的关键部件，为确保其测量准确，需要对其进行校准。校准包括单个传声器的灵敏度校准、相位失配校准和阵列整体幅相失配校准。

传声器灵敏度校准方法

在声学测试中，校准传声器灵敏度是基础流程，是保证声学测量准确的关键。多年来，已经开发出多种传声器灵敏度校准方法，主要有这几类：活塞发生器校准、耦合腔互易校准、自由场互易法等。

(1)活塞发生器校准(Pistonphone Calibration)

图2 BK4231活塞发生校准器

活塞发生器是用于传声器绝对校准的声校准器之一。活塞发生器包括一个刚性壁空腔，空腔内的一端用来装待校传声器，另一端则装有圆柱形活塞。活塞用凸轮或弯曲轴推动作正弦运动，测定活塞运动的振幅就可以求出腔内声压的有效值。活塞发生器运动的频率上限为机械振动的允许速度所控制。故仅适用于低频校准，典型的参量为：频率为250Hz，声压级为124dB，其准确度大约可达±0.2dB[1]。用活塞发生器校准传声器灵敏度的方法很简单，先使待测传声器与活塞发生器耦合，接通活塞发生器的电源，使它在传声器的膜片前产生一个恒定的声压。这时传声器的输出经放大器放大后，可以用电压表来测量给定声压级的输出电压。然后断开活塞发生器，将和活塞发生器产生的声压频率相同的电压串接入传声器极头的输出端，调节电压大小以获得相同的输出电压，这时传声器在该频率的灵敏度就是串接的电压和所加声压的比值。校准应该在标准大气压下进行，如果大气压不同，应该进行修正。

(2)耦合腔互易法

图3 BK4221高声压耦合比较校准仪

在耦合腔互易校准中，可以用三个传声器，其中两个必须是可逆的。或者用一个辅助声源和两个传声器，其中一个传声器也必须是可逆的[2]。

用两个传声器耦合到耦合腔，其中一个用作发射器，另一个用作接收器。由接收器的开路输出电压和发射器的输入电流的比值可以导出计算两个传声器的声压灵敏度的乘积的公式。如果互换传声器，进行三组测量并比较测量结果就可以求出每个传声器的声压灵敏度。该方法校准的准确度和测量系统的准确度有关。如果对各项因素保证给定的准确度，则总的校准准确度在低频和中频时大约可达0.05dB，随着频率增高，校准准确度降低，到10kHz时大约下降为0.1dB。

(3)自由场互易校准

图4 BK5998互易校准仪

传声器的自由场灵敏度校准应该在消声室内进行，通常用自由场互易法。校准方法与耦合腔法类似，待校准的传声器不必是可逆的，但需要使用一个辅助的可逆换能器[3]。自由场互易校准的准确度与测量系统的准确度有关。如果能保证电容传声器极化电压的准确度为0.05%，空气密度数值的准确度为0.1%，频率的准确度为0.1%，距离的准确度为0.5%，空气衰减的准确度为0.02dB，则总的校准准确度在中频时大约为0.1dB；随着频率增高，准确度就下降，到20kHz时，准确度大约为0.2dB。

传声器相位校准方法

在录音领域，传声器间的相位常常需要被校准。传声器间相位是指用多只传声器拾取同一声音时，所有传声器输出的音频信号应该极性相同；如果极性相反，各个传声器的信号在经过调音台等设备混合后就会出现反相抵消，导致多只传声器共同拾音时，系统输出信号反而减少、音箱音量随声源音量增加而增加的量不明显、音质不甚理想等一系列情况。

录音师常用的校正方法是：在多只传声器中，首先确定一只真实相位同相的传声器，将这只传声器作为基准传声器，一般来说，在所有音箱之间为同相关系的情况下，同一型号传声器中拾音效果最好的那只传声器肯定是真实相位同相。确定了真实相位同相的传声器后，将被检查传声器与基准传声器的头部紧靠在一起，用传声器拾取同一声音，输出音量随声源音量增加而增加的为同相，否则被检查传声器为反相，重复以上步骤，就可以逐个检察出所有的反相传声器。

图5 BK4297声强校准仪

除此以外，更加专业的多传声器相位校准工作需要在全消室中进行。常见方法包括传递函数法和残余声强法。1981年加拿大学者Krishnappa[4]提出传递函数法，描述了一种基于互谱密度方法的声强探头校准方法，通过将两传声器暴露于具有相同相位和压力水平的信号中，测量两个传声器系统之间的传递函数，可以在很宽的频率范围内校准相位和增益失配误差。残余声强法[5]，最初由丹麦的Jacobsen提出，基本原理是将测试得到的总声强值减去由相位失配误差产生的残余声强，从而消除或减小相位失配对声强测量的影响，该方法需要专业声强校准器，如B&K4297，价格昂贵由此限制了该种方法在工程中的推广。

传声器阵列幅失配误差校准现状

上面所述的传声器灵敏度校准方法只是对一个或数个传声器进行校准，相位失配校准中，目前的研究多数是校准声强测量系统的相位失配误差，其他的校准方法也是类似于灵敏度校准，是对单个传声器进行校准，而且灵敏度校准和相位失配误差校准通常是分开进行的。

在声学测试领域，几乎所有的功能实现都需要利用传声器阵列进行测试，例如声源定位技术常用的方法有声强法、多重信号分类MUSIC法、近场声全息法和波束形成法等，都是通过传声器阵列信号处理技术来实现的，如果还以单个传声器的校准方法对大型阵列进行幅相失配误差校准，将降低测试的效率，更甚的是某些特殊的阵列无法拆卸传声器。由于这些原因，对传声器阵列进行校准是势在必行的，目前在国际上已成为一个研究热点。

阵列校准技术20世纪80年代后期逐渐受到众多专家学者广泛研究，目前阵列传感器增益和相位失配校准主要集中在传统的雷达天线阵列校准领域。传声器不匹配主要产生于制造公差以及长期的老化效应，传声器阵列传感器增益和相位失配体现在频率响应不一致，需要用宽带信号作为激励信号。所以，处理远场窄带信号的传统天线阵列的校准方法不能直接应用于传声器阵列校准。

类似于传统天线阵列校准方法分类，传声器阵列校准方法可分为有源校准方法和自校准方法。

有源校准方法需要知道校准源个数、方向等先验知识，该方法要求精确的辅助源信号，一旦辅助源信号出现偏差算法识别效果会受严重影响，这可能会受到工作场所和周围环境的限制。研究较早的是在1997年，Mosher和Watts提出一种阵列校准方法，校准涉及所有传声器和电子仪器的相位以及整个阵列的幅度和指向性响应，程序包括测量仪器的相位响应，使用点源进行相位检查，在消声室中使用校准源来校准阵列的幅度和指向性[5]。2005年，Sachar等人针对大口径传声器阵列研究了准确确定每个传声器位置的三维坐标以及每个传声器/传声器通道增益的过程，校准程序要求准确位置的声源阵列[6]。

自校准方法不需要精确的辅助源信号，同时估计目标方位角和阵列误差信息，这使其在实践中更加灵活高效。然而，这些方法可能由于涉及联合迭代而遭受次优收敛，当阵列尺寸变大时，这些方法的复杂度可能会过高。

2004年，Tashev提出了一种简单快速的程序用于对传声器增益进行自校准，适用于使用传声器阵列捕获音频信号的实时应用，它基于传感器坐标在到达线方向上的投影以及所接收能量水平的近似值，从而减小了尺寸并加快了计算速度[7]。

2007年，Teal和Poletti提出用于全息声场记录的圆形传声器阵列的低频相位自校准方法[8]。

2010年，Teal和Poletti提出声全息传声器阵列的自适应相位校准方法，该校准在消声环境中进行，校准的基础是使用中频估计一个或多个宽带源的位置，并使用该源位置信息在低频下对阵列进行校准[9]。

2011年，Madhu和Martin研究了一种传声器阵列增益自校准方法，该方法实际上是在线的，且是基于阵列的每个传声器信号的长期功率谱[10]。

总结展望

综上，关于传声器灵敏度校准的研究已经很成熟，目前对传声器的灵敏度校准主要是借助声学校准器，并且已经商品化。相较于灵敏度校准，传声器的相位失配校准就困难得多，目前国内外关于传声器相位失配校准的研究主要集中在互谱法声强测量系统的相位失配校准。近些年来由于传声器阵列信号处理技术受到大力研究，并且已经广泛运用到许多领域，因此，与阵列测试密切相关的阵列校准技术逐渐成为研究的热点，目前国内外关于传声器阵列幅相失配校准的研究较少，且现有的阵列校准技术具有一定的局限性，比如一些校准技术只适用于对阵列进行窄带校准、一些校准技术针对于某些特定形状的传声器阵列，校准技术尚处于仿真试验阶段，而且传声器的精密校准对实验环境及设备要求比较高，推广比较困难。因此，研究一种有效可行的传声器幅相失配误差校准技术具有重要意义，未来商用化之路还相距甚远。

参考文献

[1]张炳毅,曾吾.传声器校准用活塞发生器的数学模型[J].计测技术, 2009, 29(1): 15-17.

[2] International Standard. IEC 327: 1971,Precision method for pressure calibration of one-inch standard condenser microphones by the reciprocity technique [S]. Switzerland: International Electrotechnical Commission, 1971.

[3] Embleton T. F. W. AIP handbook of condenser microphones [M]. American Institute of Physics, 1997.

[4] Krishnappa G. Cross-spectral method of measuring acoustic intensity by correcting phase and gain mismatch error by microphone calibration [J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1981, 69(1): 307-310.

[5] 陈心昭, 李登啸. 利用残余声强校正双传声器声强测量系统相位不匹配误差的研究[J]. 仪器仪表学报, 1995, 16(2): 130-134.

[6] Mosher M., Watts M. E., Jovic S., et al. Calibration of microphone arrays for phased array processing [J]. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1997, 693-701.

[7] Sachar J. M., Silverman H. F., Patterson W. R. Microphone position and gain calibration for a large-aperture microphone array [J]. IEEE Transactions on Speech and Audio Processing, 2005, 13(1): 42-52.

[8] Tashev N. Gain self-calibration procedure for microphone arrays [A]. IEEE International Conference on Multimedia and Expo (ICME) [C]. IEEE, 2004,983-986.

[9] Teal P. D., Poletti M. A. Adaptive phase calibration of a microphone array for acoustic holography [J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2010,127(4): 2368-2376.

[10] Madhu N., Martin R. Low-complexity, robust algorithm for sensor anomalydetection and self-calibration of microphone arrays [J]. IET Signal Processing, 2011, 5(1): 97-103.

工欲利其事必先利其器是什么意思

此成语正确应为工欲善其事必先利帆轿团其器。工欲善其事，必先利其器是说：工匠想要使他的工作做好，一定要先让工具锋利。比喻要做好一件事，准备工作非常重要。语出《论语·卫灵公》：子贡问为仁。子曰：“工欲善其事，必先利其器。居是邦也，事其大夫之贤者，友其士之仁者。”
利做动词讲，器就是工具的意思。就是要做好工作，先要使工具锋利。做好一件事情，准备工作很重要。善：完成。利：使······锋利。原文：子贡问为仁。子曰：“工欲善其事，必先利其器。居是邦也，事其大夫之贤者，友其士之仁者。”—孔子（春秋）《论语·卫灵公》。
“工欲善其事，必先利其器。”这也是两句名言，我们常常引用的，就是出自《论语》这个地方，孔子说的话。孔子告诉子贡，一个做手工或工艺的人，要想把工作完成，做得完善，应该先把帆脊工具准备好。如成语：“磨刀不误砍柴工”，要办成一件事，一定要事先进行筹划、安态橘排，这样才能稳步把事情做好。

工欲利其事必先利其器是什么意思？

意思：工匠要做好他的工作，一定要磨快他的工具。

善：完成。

利：使······锋利。

器：工具。

出处：《论语七则》先秦·佚名

节选：

子贡问为仁。子曰：“工欲善其事，必先利其器。居是邦也，事其大夫之贤者，友其士之仁者。”《论语?卫灵公》

翻译：

子贡问怎样培养仁德。孔子说：“工匠要做好他晌和的工作，一定要磨快他的工具。我们住在这个国家里，就要敬奉那些贤能的大夫，结交那些仁德的士人。”

扩展资料

赏析：

“磨刀不误砍柴工”。工匠在做工前打磨好工具粗悉，操作起来就能得心应手，就能达到事半功倍的效果，思想品德修养也是一样。选择品德高尚的人交往，与他们做朋友，受他们的影响熏陶，潜移默化，自己的思想境界和道德修养就会在无形中得到提升。

此文明确地告诉人们，培养仁德必须深入社会进行磨砺，以谦恭的态度尊重贤德之人，以真诚的行动结交仁德之士，有了这样宴凳盯的机会和环境，就能成功地修炼仁德。