Research on Development and Experiment of the Automatic Calibration Device for Free Sound Field and Hemi-free Sound Field

鐘　靜1,2　姚　磊2　桑帥軍2　陳杭升1,2　孫旭朋1,2

(中國計量學(xué)院1，浙江 杭州　310018；浙江省計量科學(xué)研究院2，浙江 杭州　310000)

(半)自由聲場自動校準裝置研制及實驗研究

Research on Development and Experiment of the Automatic Calibration Device for Free Sound Field and Hemi-free Sound Field

鐘靜1,2姚磊2桑帥軍2陳杭升1,2孫旭朋1,2

(中國計量學(xué)院1，浙江 杭州310018；浙江省計量科學(xué)研究院2，浙江 杭州310000)

摘要：對(半)自由聲場自動校準方法進行了研究，完成了(半)自由聲場自動校準裝置的研制，實現(xiàn)了消聲室內(nèi)(半)自由聲場的自動測量。分別對白噪聲和純音信號在連續(xù)測量和間隔測量下的自由聲場范圍進行了研究，提出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)測量方式。當對自由聲場范圍準確度要求較高或半消聲室本身空間較小的情況下，聲源為白噪聲時以2 cm的間隔進行測量，聲源為純音信號時以2 cm的間隔或者2 cm/s的速度進行測量；相反情況下，聲源為白噪聲時以10 cm的間隔進行測量，聲源為純音信號時以5 cm的間隔或5 cm/s的速度進行測量。該研究為準確、高效地確定消聲室自由聲場范圍提供了較為實用的參考。

關(guān)鍵詞：自由聲場半自由聲場自動校準連續(xù)測量間隔測量自由聲場范圍白噪聲純音信號

Abstract：The automatic calibration methods for hemi-free sound field are studied, and the R&D of the automatic calibration device for free sound field and hemi-free sound field is completed to implement automatic measurement of free sound field and hemi-free sound field in anechoic room. Different free sound field ranges under white noise and pure tone signal in continuous measurement and interval measurement are researched respectively, and corresponding measurement modes are proposed. When higher accuracy is requested for free sound field range, or the space of hemi-anechoic room is smaller; 2 cm interval measurement is conducted for sound source of white noise; 2 cm interval measurement or 2 cm/s speed measurement is conducted for sound source of pure tone signal; in opposite case, 10 cm interval measurement is conducted for sound source of white noise; 5 cm interval or 5 cm/s speed measurement is conducted for sound source of pure tone signal. These provide practical reference to determine the free sound field range of anechoic room more precisely and effectively.

Keywords：Free sound fieldHemi-free sound fieldAutomatic calibrationContinuous measurementInterval measurement

Free sound field rangeWhite noisePure tone signal

0引言

消聲室是室內(nèi)空間基本為自由聲場的房間，半消聲室是室內(nèi)空間為半自由場的房間。消聲室和半消聲室的自由聲場頻率范圍和空間范圍用室內(nèi)測得的聲壓級與反平方律理論值之間的最大允許偏差確定[1]。

目前，傳統(tǒng)的消聲室校準采用的是手動測試方法，即在聲場中逐點測量并記錄數(shù)據(jù)[2]，此方式費時費力。本文研制的聲場自動校準裝置可解決上述問題。本裝置主要通過軟件控制傳聲器傳動控制系統(tǒng)，傳動控制系統(tǒng)控制傳聲器在消聲室內(nèi)沿一定路線往返移動，達到自動測量聲場的目的，最終將消聲室內(nèi)測得的數(shù)據(jù)反饋到計算機，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速處理。校準方法參照標準ISO 3745-2012[3]與JJF 1147-2006[4]進行。

目前，對自由聲場范圍的研究大多以某一特定聲源信號在同一測量方式下進行，然而如何選擇聲源信號、測量方式以及測量間隔/速度，都會影響實驗結(jié)果的準確性和可靠性。基于此，本文開展了不同聲源信號下不同測量方式對測量準確度影響的研究，以實現(xiàn)自由聲場范圍的高效、準確測量。

1研制聲場自動校準裝置

聲場自動校準裝置包括標準聲源、傳聲器自動傳動機械結(jié)構(gòu)、傳動控制系統(tǒng)及信號發(fā)生采集分析系統(tǒng)。該裝置的工作原理為：首先，由B&K公司的Pulse信號發(fā)生采集系統(tǒng)產(chǎn)生信號，經(jīng)過功率放大器傳輸給聲源，聲源在消聲室內(nèi)發(fā)出聲信號；然后，由VC++編程實現(xiàn)傳動控制系統(tǒng)的參數(shù)控制，從而使傳動系統(tǒng)帶動傳聲器在室內(nèi)沿著某一直線軌跡移動；最后，由Pulse系統(tǒng)將傳聲器測得的數(shù)據(jù)傳輸給計算機，以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)后處理。

1.1　標準聲源

消聲室校準用標準聲源[5]應(yīng)滿足兩個要求：一是具有可認定的聲中心，二是滿足指向性要求。

1.1.1聲源的聲中心

對于中低頻聲源(50 Hz~20 kHz)來說，假定為幾何中心，并按照式(1)來進行修正。

(1)

式中：ri為聲源假定聲中心到測量點的距離，m；N為沿每個傳聲器路徑的測量點的數(shù)目；r0為沿傳聲器移動軸線的聲中心的補償，即聲源實際聲中心與假定聲中心之間相差的距離，m。

對于高頻聲源(10~20kHz)來說，為滿足近似點聲源的要求(可認定的聲中心可等效為近似點聲源)和信噪比的要求，本項目設(shè)計了在高頻喇叭出聲口處安裝變截面聲共振腔的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　變截面聲共振腔結(jié)構(gòu)示意圖

可認定的聲中心可等效為近似點聲源，即出聲口尺寸小于關(guān)心頻率范圍內(nèi)最短聲波波長。對于波長

最小的頻率為20 kHz的聲波，其聲波波長為：λ=340/20 000=17 mm，取出聲口的直徑a為6 mm。

在高頻喇叭出聲口裝配的變截面聲共振腔可放大高頻喇叭所發(fā)出的聲波，從而滿足高頻信噪比的要求。經(jīng)過聲學(xué)波導(dǎo)理論推導(dǎo)，變截面聲共振腔的長度c為：

c=(2n-1)λ/4

(2)

式中：λ為頻率是20kHz聲波的波長，mm；n為正整數(shù)。

共振腔長度為各聲波頻率對應(yīng)1/4波長的奇數(shù)倍。對應(yīng)于10kHz、12.5kHz、16kHz、20kHz四個頻點，構(gòu)建長度c分別為147.1mm、117.6mm、91.9mm、73.5mm的聲共振腔。

1.1.2聲源指向性

對聲場進行校準時，聲源應(yīng)滿足近似無指向性聲源要求，具體要求參照標準JJF1147-2006與ISO3745-2012。

1.2　傳聲器自動傳動機械結(jié)構(gòu)

全消聲室內(nèi)傳動傳聲器的結(jié)構(gòu)(水平傳動方式)[6-9]如圖2所示。兩個伸縮桿分別固定在兩個主機箱上，兩個工字件分別固定在兩個伸縮桿上端，兩根鋼絲通過工字件分別與兩個機箱固定起來，形成兩條水平的直線導(dǎo)軌；兩個平行放置轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)輪通過電機固定在主機箱上面，牽引魚線與轉(zhuǎn)輪相連，傳聲器夾具用于固定傳聲器，牽引魚線與傳聲器夾具中部連接以帶動其水平移動。鋼絲形成傳聲器移動的水平直線導(dǎo)軌，電機帶動兩個轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，從而可帶動傳聲器在水平方向來回移動。

圖2　消聲室內(nèi)自動校準裝置(自由聲場)

半消聲室內(nèi)傳動傳聲器的結(jié)構(gòu)(斜向傳動方式)說明如下。伸縮桿固定在主機箱上，工字件固定在伸縮桿上端，兩根鋼絲通過工字件分別與機箱和吸盤固定起來，形成兩條平行的斜向直線導(dǎo)軌；單個轉(zhuǎn)輪通過電機固定在主機箱上面，牽引魚線與轉(zhuǎn)輪相連;傳聲器夾具用于固定傳聲器，分別與鋼絲以及牽引魚線連接，通過傳聲器及支架的重力繃緊牽引魚線。鋼絲形成傳聲器移動的斜向?qū)к?，電機帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，通過牽引線的帶動實現(xiàn)傳聲器的斜向移動。半消聲室內(nèi)自動校準裝置如圖3所示。

圖3　半消聲室內(nèi)自動校準裝置(半自由聲場)

1.3　傳聲器傳動控制系統(tǒng)

傳聲器傳動控制系統(tǒng)主要采用步進電機的控制來實現(xiàn)傳聲器的傳動。該系統(tǒng)包括可編程控制器(PLC)、驅(qū)動器、步進電機、電源以及限位開關(guān)等。首先，通過梯形圖編程語言對PLC進行編程；然后，通過VC++編程實現(xiàn)對PLC的控制，包括對PLC發(fā)出的控制命令和接收來自PLC的返回參數(shù)。其中，對PLC發(fā)出的控制命令主要實現(xiàn)對PLC與計算機通信接口控制、單步脈沖對應(yīng)位移的調(diào)試控制、電機的轉(zhuǎn)動方向控制及轉(zhuǎn)動方式(連續(xù)轉(zhuǎn)動或間隔轉(zhuǎn)動)控制等功能；接收PLC返回參數(shù)主要包括接收來自PLC控制輸出的驅(qū)動脈沖數(shù)、運行方向及限位開關(guān)返回數(shù)值，以此來分別實現(xiàn)傳聲器位移值的反饋及對傳聲器進行限位移動的功能。

1.4　信號發(fā)生采集分析系統(tǒng)

信號發(fā)生采集分析系統(tǒng)主要包括信號源、功率放大器、信號采集分析儀和標準傳聲器。通過VC++編程可以實現(xiàn)：計算機與Pulse系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的通信；Pulse系統(tǒng)的信號發(fā)生和數(shù)據(jù)采集分析功能；聲場隨距離變化數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄、顯示；保存測量結(jié)果，以及對測量數(shù)據(jù)進行后處理。數(shù)據(jù)后處理程序可以對不同傳聲器行走方式、行走速度、不同信號類型等因素進行分析，從而使聲場校準更加高效、便捷和直觀。

2實驗研究

對于消聲室，自由聲場范圍的校準受到很多因素的影響[10-12]。本文主要研究在聲場校準過程中，傳聲器行走方式、傳聲器行走速度/距離間隔以及聲源測量信號對自由聲場范圍校準結(jié)果的影響。此研究成果對實際聲場校準工作具有一定的指導(dǎo)作用。

傳聲器行走方式包括連續(xù)行走測量和間隔行走測量兩種方式；聲源測量信號包括純音信號和白噪聲信號兩種信號。

在實驗研究過程中，根據(jù)標準ISO 3745-2012中計算反平方律聲壓級的公式，計算聲壓級理論值，如式(3)~式(5)所示：

(3)

(4)

qi=10-0.05Lpi

(5)

式中:Lp(ri)為距離r處的反平方律聲壓級，dB；Lpi為第i個測量點的聲壓級，dB。

根據(jù)式(6)計算所有測量位置上的聲壓級測量值與理論值的偏差:

ΔLpi=Lpi-Lp(ri)

(6)

對于實際測量聲壓級與反平方律理論聲壓級的偏差值，根據(jù)未超出ISO 3745-2012規(guī)定允差對應(yīng)的最遠位置得到自由聲場范圍。

3實驗結(jié)果分析

3.1　白噪聲間隔測量結(jié)果

以在半消聲室內(nèi)測得的數(shù)據(jù)為例進行分析。聲源測量信號選為白噪聲，分別在間隔為1 cm、2 cm、5 cm和10 cm時進行間隔測量，自由聲場范圍如表1所示。

根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著測量間隔的增大，自由聲場范圍逐漸增大(如125 Hz處2 cm間隔與5 cm間隔的自由聲場范圍相差達11 cm)。經(jīng)過多次測量驗證，在低中高頻時，間隔為2 cm時與間隔為1 cm時的自由聲場范圍相差較小，間隔為5 cm時與間隔為10 cm時的自由聲場范圍相差較小。

當對自由聲場范圍準確度要求較高時(如精確到小于10 cm時)或半消聲室本身空間較小時，建議以2 cm的間隔進行測量；當對自由聲場范圍準確度要求較低時(如精確到大于10 cm時)或半消聲室本身空間較大時，建議以10 cm的間隔進行測量。

表1　自由聲場范圍(白噪聲、間隔測量)

3.2　純音信號連續(xù)測量結(jié)果

聲源測量信號選為純音信號，在速度分別為1 cm/s、2 cm/s、4 cm/s和5 cm/s時進行連續(xù)測量，將純音信號在不同速度下的自由聲場范圍列于表2。

從同一頻率下純音信號的自由聲場范圍對比不難看出，速度為1 cm/s和2 cm/s下的自由聲場范圍相差不大，最大相差2 cm；速度為2 cm/s和4 cm/s下的自由聲場范圍相差較大(如在1 000 Hz處相差0.65 m)。經(jīng)過多次測量驗證也得出類似結(jié)論，所以建議在實驗過程中以2 cm/s的速度進行測量。

表2　自由聲場范圍(純音信號、連續(xù)測量)

3.3　間隔測量、連續(xù)測量的比較

聲源測量信號選為純音信號，將間隔為2 cm的間隔測量下的自由聲場范圍和速度為2 cm/s的連續(xù)測量下的自由聲場范圍進行對比，如表3所示。

由表3可見，在純音信號的間隔測量和連續(xù)測量方式下，當測量間隔和測量速度的數(shù)值相等時，兩種測量方式下得到的自由聲場范圍相差很小，其他間隔測量和連續(xù)測量方式下也有相同結(jié)論。所以在校準計量半消聲室內(nèi)自由聲場時，對于純音信號，可選擇間隔測量或連續(xù)測量方式。

表3　自由聲場范圍(純音信號的間隔測量與純音的連續(xù)測量對比)

4結(jié)束語

本文研制的自由聲場與半自由聲場自動校準裝置滿足如今大型聲學(xué)實驗室的計量測試需求，便于高效、準確地確定自由聲場范圍，對實際消聲室使用者有重要的現(xiàn)實意義。

在實驗研究方面，當聲源測量信號分別為白噪聲信號和純音信號時，在對自由聲場范圍準確度要求較高(如精確到小于10 cm)或半消聲室本身空間較小，或在對自由聲場范圍準確度要求低(如精確到大于10 cm)或半消聲室本身空間較大的情況下，給出了精確的測量方式以及測量數(shù)值，這樣可以準確、高效地校準半消聲室。

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中圖分類號：TH7；TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507017

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃基金資助項目(編號：2011QK155)；

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項基金資助項目(編號：2013YQ47076511)；

浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計劃基金資助項目(編號：20120216)。

修改稿收到日期：2014-10-25。

第一作者鐘靜(1988-)，女，現(xiàn)為中國計量學(xué)院信號與信息處理專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事聲學(xué)振動計量、測試與分析方面的研究。