如何评价传声器的性能指标？

传声器的性能指标主要包括灵敏度、灵敏度频率响应、灵敏度指向性、输出阻抗、等效噪声级、动态范围和稳定性等。

1）传声器灵敏度。传声器灵敏度是传声器输出电压与有效声压之比，即膜片上受到单位声压作用时，其开路输出电压的大小。灵敏度的高低主要受传声器的尺寸和膜片张力的影响。通常，大尺寸传声器膜片张力小，振动幅度大，灵敏度高；小尺寸传声器膜片刚度大，灵敏度低。传声器的灵敏度有多种分类：第一种是空载灵敏度和负载灵敏度；第二种是声压灵敏度和声场灵敏度；第三种是自由场灵敏度、压力场灵敏度和随机场灵敏度。

空载灵敏度是指咪头的输出电压与膜片受到的声压之比，而负载灵敏度是指咪头和前置放大器组合的输出电压与膜片受到的声压之比。传声器的负载是前置放大器的输入阻抗，当前置放大器与咪头组成一个完整的传声器时，获得的灵敏度即是负载灵敏度。此时灵敏度中考虑了前置放大器的电压增益和输入电容。通常，通过声校准器得到的灵敏度即为负载灵敏度。

声压灵敏度是传声器输出电压与实际作用到传声器的有效声压之比，而声场灵敏度是传声器输出电压与传声器放入声场前该点的有效声压之比。在讲述二者的区别之前，可以看下图1-59。图1-59所示为自行车运动员在骑行时的流场云图，可以看出，骑行的运动员改变了流场的特性。同样的道理，当传声器放入声场时，也会改变声场的分布特性。

图1-59 自行车运动员骑行时的流场云图

由散射理论可知，在平面波声场中放入一个刚性球，作用在刚性球最靠近声源的点上的声压幅值与入射平面声波幅值之比和ka有关，k为波数，a为刚性球半径。因此，实际作用于传声器膜片上的声压要大于传声器放入该点之前的平面波自由场的声压。由于传声器开路输出电压是不会变的，因此，声场灵敏度大于声压灵敏度。或者说，传声器自由场灵敏度等于声压灵敏度加上散射引起的增压。因而，若已知声压灵敏度，根据压力增量校正曲线就可以求得自由场灵敏度。在足够低的频率时，传声器放入声场中引起的干扰可以忽略，这时，自由场灵敏度接近声压灵敏度。压力增量与入射角有关，图1-60所示为GRAS 46AE1/2in自由场传声器的压力增量与入射角的校正曲线。

图1-60 GRAS 46AE1/2in自由场传声器的压力增量与入射角的校正曲线（参考频率250Hz）

如果声场为自由场，则称为自由场灵敏度；如果是压力场，则称为压力场灵敏度；如果是无规则随机入射声场，则称为随机声场（无规则入射）灵敏度。自由场灵敏度通常是针对正向入射条件下自由场中的平面声波而言。

2）灵敏度频率响应。传声器置于指定条件下并在恒压声场中和给定入射角的声波作用下，其灵敏度和频率的关系称为灵敏度频率响应。按照声场关系可以分为声压灵敏度频率响应和自由场灵敏度频率响应等。图1-61所示为GRAS 46AE1/2in自由场传声器的频率响应曲线，图1-61中上面曲线为0°入射的自由场灵敏度频率响应曲线，下面曲线为声压灵敏度频率响应曲线。这款预极化传声器频率响应范围为15Hz～20kHz。传声器的频率响应下限截止频率通常由前置放大器的输入电阻决定，下限截止频率越低，则要求输入电阻越大。在高频段，灵敏度正反比于总电容，任何附加电容都会降低传声器高频率的灵敏度。

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图1-61 GRAS 46AE1/2in自由场传声器的频率响应曲线

3）灵敏度指向性。在某一指定频率下，传声器灵敏度随声波入射方向变化的特性称为灵敏度指向性。通常用灵敏度指向性函数来表征，该函数为声波以θ角入射时传声器的灵敏度和轴向入射（θ=0°）时灵敏度的比值。通常用极坐标形式的指向性图来描述传声器的灵敏度指向特性。图1-62所示为某型号传声器的灵敏度指向特征图，可以看出，频率越高，指向性影响越明显。当声波以角度θ入射时，作用在膜片上的合力包含一阶贝塞尔函数，只有当ka=2πa/λ<1时，合力才可似乎认为没有入射角度的影响。当传声器尺寸一定时，波长越长，这个数越小（远小于1），也就是说频率越低，指向性影响越小，从图1-62中也可以看出，低频越接近最外圈。另一方面，相同的频率，传声器尺寸越小，指向性影响越小。因而，传声器尺寸越小，可测的频率上限越高。

图1-62 某传声器指向特性

4）输出阻抗。传声器咪头和前置放大器的输出阻抗是传声器的交流阻抗，通常在频率1000Hz，声压约为1Pa时测量获得。

5）等效噪声级。当没有声波作用在传声器上时，由于周围空气压力的起伏和传声器电路的热敏噪声，会造成在传声器前置放大器端还有一定的噪声电压输出，称为固有噪声。固有噪声的大小决定了传声器所能测量的最低声压级，也就是动态范围的下限。声波作用在传声器上，它所产生的输出电压的有效值与该传声器输出的固有噪声电压相等时，则该声波的声压级就等于传声器的等效噪声级。如GRAS46AE1/2in传声器的动态范围为17～138dB，则17dB就是该传声器的最低声压级，也就是等效噪声级。等效噪声级与灵敏度有关，在固有噪声电压相同的条件下，灵敏度越高，等效噪声级越小。

6）动态范围。在强声波作用下，传声器的输出会出现非线性畸变，当非线性畸变达到3%时的声压级称为能测的最高声压级。因此，最高声压级减去等效噪声级就是传声器的动态范围，如GRAS 46AE1/2in传声器的动态范围为17～138dB，也就是动态范围为121dB。因此，动态范围的上限受非线性畸变限制，下限受固有噪声限制。另外，动态范围很大程度上直接与传声器的灵敏度相关。通常，高灵敏度传声器能测量到非常低的声压，但不能测量太高的声压；而低灵敏度的传声器能测量较高的声压，但不能测量太低的声压。这就说明为什么高灵敏度的传声器动态下限低，上限也低；而低灵敏度传声器的下限高，上限也高。图1-63所示为常见尺寸传声器的动态范围。

7）稳定性。温度、湿度、气压等大气条件的变化会影响传声器的灵敏度，其中温度的影响较为明显。极化电容式传声器稳定性较好，工作的温度范围较宽（-50～150℃），但预极化电容式传声器稳定性较差，通常只能在-30～70℃下工作。另外，传声器的灵敏度还会随着时间的变化而变化，以及受测量环境中电场和磁场的影响，这就是传声器通常要现用现校的原因所在。

图1-63 常见尺寸传声器的动态范围