萬(wàn)宇鵬，謝榮基，桂 桂

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所，四川 成都 610021）

基于DIRAC的聲場(chǎng)無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用與對(duì)比

萬(wàn)宇鵬，謝榮基，桂 桂

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所，四川 成都 610021）

室內(nèi)聲學(xué)脈沖反向積分法能夠快捷全面地測(cè)量部分聲學(xué)參數(shù)，但傳統(tǒng)測(cè)試受限于系統(tǒng)中各種設(shè)備的有線連接方式。為更加科學(xué)高效地進(jìn)行各種規(guī)格的廳堂聲學(xué)測(cè)試，該文基于脈沖反向積分法針對(duì)丹麥B&K4942和德國(guó)Sennheiser MKH800 P48兩種傳聲器在有線模式和無(wú)線模式的3種情況下進(jìn)行包括早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20、混響時(shí)間T30、音樂(lè)明晰度C80、語(yǔ)言清晰度D50等客觀音質(zhì)參數(shù)的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示在100～8000Hz中高頻頻段范圍內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比有較高的復(fù)合度，可以在各類(lèi)廳堂場(chǎng)館的現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試中使用。通過(guò)不同測(cè)試模式的對(duì)比初步驗(yàn)證無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)在廳堂聲學(xué)測(cè)量中的可行性與可靠性。

聲學(xué)；無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)；DIRAC；客觀音質(zhì)參數(shù)

0 引 言

近15年是我國(guó)演藝建筑的發(fā)展黃金時(shí)期，期間新建了超過(guò)200項(xiàng)大型或超大型演藝建筑，建設(shè)集群總投資近千億元[1]。這種背景下，近年陸續(xù)竣工的新建演藝建筑和運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過(guò)10年的待維護(hù)演藝建筑的數(shù)量也逐漸龐大起來(lái)，如何科學(xué)、高效地進(jìn)行建筑聲學(xué)指標(biāo)的測(cè)試與評(píng)估就成了聲學(xué)工作者需要解決的問(wèn)題。按照傳統(tǒng)的測(cè)試方法，測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試信號(hào)采集前端主要采用測(cè)試電容傳聲器連接測(cè)量前置放大器再連通到聲卡等設(shè)備上來(lái)進(jìn)行聲音信號(hào)的采集，其主要問(wèn)題在當(dāng)面對(duì)體量較大的場(chǎng)館廳堂時(shí)測(cè)試布線不方便，也不安全。在傳統(tǒng)的測(cè)試方法上也多采用中斷聲源法來(lái)進(jìn)行信號(hào)的激勵(lì)與處理，其重復(fù)性和穩(wěn)定性存在一定問(wèn)題。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO自2007年起陸續(xù)對(duì)例如ISO 3382-1、ISO 3382-2等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，國(guó)內(nèi)相關(guān)部門(mén)如住建部與國(guó)家質(zhì)檢總局等也對(duì)混響時(shí)間測(cè)量規(guī)范進(jìn)行了修訂，從而為建筑聲學(xué)指標(biāo)的測(cè)試與評(píng)估提供了標(biāo)準(zhǔn)支持[2-5]。因?yàn)檠菟嚱ㄖ囊?guī)模體量有大有小，為了更科學(xué)、更高效地進(jìn)行建筑聲學(xué)的測(cè)試與音質(zhì)評(píng)價(jià)，本文采用3種傳聲器聲音信號(hào)采集模式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，嘗試找到一種快捷且精確的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)解決大型廳堂的客觀聲學(xué)參數(shù)測(cè)量問(wèn)題。

1 測(cè)試方法與特點(diǎn)

基于脈沖反向積分法來(lái)測(cè)量混響時(shí)間[6]：

式中：S（t）——穩(wěn)態(tài)噪聲的聲壓衰減函數(shù)，尖括號(hào)表示群體平均；

r（x）——被測(cè)房間的脈沖聲響應(yīng)；

N——譜密度。

在混響時(shí)間測(cè)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3382中，脈沖反向積分法和聲源切斷法都是被承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法[5]。

采用脈沖反向積分法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先用脈沖聲對(duì)房間進(jìn)行激勵(lì)，記錄下房間的脈沖響應(yīng)，對(duì)這個(gè)脈沖響應(yīng)的平方進(jìn)行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。由于對(duì)脈沖響應(yīng)進(jìn)行了積分，得到的聲能衰減曲線比較平滑、波動(dòng)起伏小且單調(diào)下降。反向積分使小信號(hào)先進(jìn)濾波器，濾波器的穩(wěn)定時(shí)間較短。在沒(méi)有背景噪聲的理想條件下，積分區(qū)間從聲壓為零開(kāi)始到脈沖接收初始點(diǎn)結(jié)束，衰減曲線的方程為

式中p為脈沖響應(yīng)聲壓。

計(jì)算得到衰減曲線后，根據(jù)聲能降低的斜率計(jì)算出混響時(shí)間[7]。

采用脈沖反向積分法測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）重復(fù)性好，普遍認(rèn)為1次脈沖反向積分法的測(cè)量精度與10次聲源切斷法的平均值相當(dāng)。

2）測(cè)量時(shí)記錄脈沖響應(yīng)，還可以同時(shí)得到早期衰減時(shí)間EDT等其他輔助聲學(xué)參數(shù)。

2 測(cè)試平臺(tái)的搭建

本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)基于丹麥B&K的DIRAC測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行，測(cè)試和輸出端采用DELL筆記本電腦、2734B功率放大器、正十二面體標(biāo)準(zhǔn)聲源、0948音頻接口、4231聲校準(zhǔn)器、1704 CCLD信號(hào)放大器等作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件基礎(chǔ)。系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)框圖

在聲音信號(hào)采集前端，傳聲器的有線連接模式是現(xiàn)有聲場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)最常用的測(cè)試方式，這種模式普遍應(yīng)用于廳堂場(chǎng)館的聲學(xué)測(cè)試中，其優(yōu)點(diǎn)是：1）標(biāo)準(zhǔn)傳聲器性能優(yōu)異；2）有線連接方式數(shù)據(jù)傳輸安全可靠；3）經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程測(cè)試驗(yàn)證，原始記錄準(zhǔn)確。

其缺點(diǎn)是有線連接模式只能應(yīng)用于中小體量的建筑場(chǎng)館內(nèi)，如果遇到大型體育場(chǎng)館或音樂(lè)廳，傳聲器的布點(diǎn)范圍受限于連接線的長(zhǎng)度，而且連線方式影響了布點(diǎn)的效率，如需要進(jìn)行滿場(chǎng)狀態(tài)下測(cè)試，這種方式可能會(huì)給測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)大麻煩（一次測(cè)量可能耗時(shí)2h以上），甚至不能完成正常的測(cè)試流程。

所以針對(duì)不同規(guī)模室內(nèi)聲場(chǎng)空間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試考慮，本次實(shí)驗(yàn)采用了4942傳聲器有線連接模式、4942傳聲器無(wú)線連接模式和MKH800 P48傳聲器無(wú)線連接模式3種不同的聲音信號(hào)采集方式來(lái)進(jìn)行對(duì)比，如圖2～圖4所示。此處之所以將消聲箱中校準(zhǔn)過(guò)的MKH800 P48傳聲器也作為測(cè)量用傳聲器來(lái)使用，是因?yàn)榈淏&K的所有傳聲器都是全指向性傳聲器，不能進(jìn)行8字型拾音模式的調(diào)制，在現(xiàn)場(chǎng)情況下無(wú)法滿足對(duì)側(cè)向聲能LF/LFC的測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)選用測(cè)試院的標(biāo)準(zhǔn)視聽(tīng)室作為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。其聲學(xué)裝修主要包括吸聲和擴(kuò)散處理，在天花板中填充吸聲材料，使頻率特性保持平直與均衡。在房間低頻的簡(jiǎn)正頻率處適當(dāng)加強(qiáng)吸聲，防止駐波的影響。其次，在四面墻面鋪設(shè)擴(kuò)散板，使聲場(chǎng)擴(kuò)散均勻。標(biāo)準(zhǔn)視聽(tīng)室中，除了音響系統(tǒng)外，還有視頻系統(tǒng)及照明系統(tǒng)，各部分電路系統(tǒng)應(yīng)相互獨(dú)立，防止引入電噪聲。視聽(tīng)室的裝修后的幾何尺寸按1∶1.4∶1.9的比例設(shè)計(jì)，尺寸為7.6 m×5.5 m×4 m；體積為167 m3；設(shè)計(jì)混響時(shí)間為0.3s[9]。

本次實(shí)驗(yàn)依據(jù)參考ISO 3382-1和ISO 3382-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，主要針對(duì)早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20、混響時(shí)間T30、音樂(lè)明晰度C80、語(yǔ)言清晰度D50這5個(gè)指標(biāo)[8]進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估。3種不同傳聲器連接模式下測(cè)得的聲學(xué)參數(shù)原始記錄如表1～表3所示。

圖2 B&K 4942傳聲器頻響曲線圖

圖3 MKH800 P48頻響曲線圖（全指向模式）

圖4 全指向性極坐標(biāo)圖［8］

表1 B&K 4942傳聲器有線連接模式下測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 B&K 4942傳聲器無(wú)線連接模式下測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 MKH800 P48傳聲器無(wú)線連接模式下測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)果分析與對(duì)比

實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)3種不同傳聲器連接模式得到的測(cè)試數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計(jì)，針對(duì)上述的早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20/T30/RT等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試原始數(shù)據(jù)的對(duì)比，得到各個(gè)客觀參數(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖5～圖10所示。可以看出在倍頻帶下，除了31.5Hz和63Hz的測(cè)試結(jié)果有較大偏差外，其他中高頻段數(shù)據(jù)相差很小，完全滿足廳堂現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試的需要。

圖5 早期衰減時(shí)間EDT數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖6 混響時(shí)間T20數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖7 混響時(shí)間T30數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖8 混響時(shí)間RT數(shù)據(jù)對(duì)比圖

以最傳統(tǒng)4942傳聲器有線連接模式測(cè)得得數(shù)據(jù)值作為參考值來(lái)計(jì)算各種方法的相對(duì)誤差，結(jié)果如表4所示。

表4 以4942傳聲器有線連接模式為參考的各參數(shù)相對(duì)誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

從上述測(cè)試結(jié)果及分析可以得出以下結(jié)論：

1）基于DIRAC的4942、ZE0948、2734B、1704等設(shè)備組成的測(cè)試系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)與過(guò)往基于PULSE系統(tǒng)的測(cè)試值相比，其復(fù)現(xiàn)性和重復(fù)性都很好，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

圖9 明晰度C80數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖10 清晰度D50數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2）整個(gè)測(cè)量中，其在100Hz以下低頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比有較大出入，某些典型頻率點(diǎn)相對(duì)誤差在10%以上。

3）整個(gè)測(cè)量中，其在100 Hz以上頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比復(fù)合程度較高，采用4942傳聲器的無(wú)線系統(tǒng)誤差范圍除去個(gè)別測(cè)點(diǎn)普遍在3%以內(nèi)。

4）整個(gè)測(cè)量中，其在100Hz以上頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比復(fù)合程度較高，采用MKH800傳聲器的無(wú)線系統(tǒng)誤差范圍除去各別測(cè)點(diǎn)普遍在2%以內(nèi)。

5）基于DIRAC的無(wú)線系統(tǒng)在大型場(chǎng)館中應(yīng)用方便，其低頻范圍內(nèi)數(shù)據(jù)有所偏差，但中高頻段數(shù)據(jù)可靠性很高，可以嘗試在大型廳堂場(chǎng)館的現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試中使用。

6）MKH無(wú)線系統(tǒng)與B&K傳聲器對(duì)比，數(shù)據(jù)誤差范圍穩(wěn)定性稍差，可以通過(guò)多次測(cè)量來(lái)解決該部分問(wèn)題，其相對(duì)誤差相較傳統(tǒng)方法更低，又因?yàn)锽&K麥克風(fēng)沒(méi)有8字型指向性話筒，在一些聲場(chǎng)測(cè)試局限性，MKH800無(wú)線系統(tǒng)可以取代B&K麥克風(fēng)用于大型工程的測(cè)試[10]。

本次實(shí)驗(yàn)尚存在一些不足之處，如本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闀r(shí)間的限制，沒(méi)有進(jìn)行LF/LFC/IACC的系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試；本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闂l件的限制，沒(méi)有進(jìn)行大型體育場(chǎng)館的對(duì)比測(cè)試等。

[1]章奎生，宋擁民.我國(guó)近20年新建劇院及音樂(lè)廳的音質(zhì)檢測(cè)與評(píng)價(jià)研究[R].南京：2014年全國(guó)聲學(xué)設(shè)計(jì)與演藝建筑工程學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告，2014.

[2]室內(nèi)混響時(shí)間測(cè)量規(guī)范：GB/T 50076—2013[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[3]廳堂擴(kuò)聲特新測(cè)量方法：GB/T 4959—2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4]Acoustics-Measurement of room acoustic parameters-Part 1：Performance spaces：ISO 3382-1：2009[S].2009.

[5]Acoustics-Measurement of room acoustic parameters-Part 2：Reverberation time in ordinary rooms：ISO 3382-2：2008[S].2008.

[6]SCHROEDER M R.New method of measuring reverberat ion time[J].Acoust Soc Am，1965（37）：409-412.

[7]燕翔，李晉奎，徐學(xué)軍，等.脈沖反向積分法混響時(shí)間測(cè)量[C]∥綠色建筑與建筑物理——第九屆全國(guó)建筑物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（一）.南京，2004：410-413.

[8]張寧.AWA14423、AWA14425型電容傳聲器應(yīng)用靜電激勵(lì)器法測(cè)試自由場(chǎng)頻響的修正[J].聲學(xué)技術(shù)，2016，35（4）：512-514.

[9]吳碩賢，張三明，葛堅(jiān).建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000：52-54.

[10]萬(wàn)宇鵬，謝榮基，桂桂.無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)在多聲場(chǎng)下的驗(yàn)證與對(duì)比[J].聲學(xué)技術(shù)，2016，35（4）：422-425.

（編輯：劉楊）

Application and comparison of sound filed wireless test system based on DIRAC

WAN Yupeng，XIE Rongji，GUI Gui
（Institute of Acoustics,National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

The interior acoustic pulse reverse integration method can be used to measure the partial acoustic parameters quickly and comprehensively.But the traditional test is restrained by the wire connection of equipment in the system.In order to do the acoustic test more scientifically and efficiently forvarious specifications，this paperdid measurements of objective sound quality parameters such as EDT，T20，T30，C80，D50 in three cases of both wired mode and wireless modebyB&K 4942microphoneofDenmarkandSennheiserMKH800P48microphoneof Germany based on pulse reverse integration.The measurement results show that in the frequency range of 100 Hz to 8 000 Hz，the test data has good repeatability compared to traditional test method.This method can be used in the engineering test of some venues.By comparing the different test modes，this paper verifies the feasibility and reliability of wireless testing system in acoustic measurement.

acoustics；wireless test system；DIRAC；objective sound quality parameters

A

：1674-5124（2016）12-0077-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.016

2016-06-28；

：2016-08-03

萬(wàn)宇鵬（1985-），男，四川成都市人，工程師，主要從事聲學(xué)檢測(cè)與建筑聲學(xué)相關(guān)工作。