李 群

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

基于消聲室檢測的自動校準裝置的研究

李 群

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

文中根據消聲室當前的校準現(xiàn)狀，依據《JJF 1147-2006 消聲室和半消聲室聲學特性校準規(guī)范》的要求，對消聲室的校準裝置進行了研究和設計，研制了一套新的自動校準系統(tǒng)，并給出該裝置的不確定度評定，提高了計量檢測人員的工作效率和測試準確性，降低了人為因素對檢測結果的影響。

聲壓級；消聲室；計量校準；聲學特性

1 概述

消聲室作為聲學計量的基礎環(huán)境條件，一直在聲學領域發(fā)揮著重要的作用，特別在空氣聲計量領域，大量聲學儀器的試驗、噪聲測量以及聲學領域的其他研究等，為了屏蔽不必要的噪聲干擾都需要在消聲環(huán)境下進行測量。所以，消聲室的最低截止頻率，以及自由場半徑等技術參數決定了消聲室是否滿足測試需求[1］。福建省計量院研制了新的裝置，能夠高效、自動地測量最低截止頻率和自由場半徑等技術參數，實現(xiàn)了人工智能化的改進。

2 消聲室校準的現(xiàn)狀

近些年，消聲室日益成為各省級計量技術機構的必備建設項目，甚至，很多地市級計量技術機構也有自己的消聲室，面對著種類繁多、廠家各異的消聲室，對消聲室的校準就顯得尤為重要。依據《JJF 1147-2006》消聲室和半消聲室聲學特性校準規(guī)范的要求，[2］可以使用點測或連續(xù)記錄測量，兩者各有其優(yōu)劣。點測比較耗時，且人為因素影響大，連續(xù)記錄測量則很難保證傳聲器移動系統(tǒng)與記錄儀絕對的同步測量，而且在移動過程中，滑輪產生的噪聲也會對測試結果產生影響。筆者認為，點測法雖然較為耗時，但校準結果的可信度更高，因此對點測法的一些缺陷進行深入的研究。

（1）測量點數多，校準耗時長。

以一個長×寬×高=7.2m×7.2m×2.8m的半消聲室為例，使用點測法測試三條線，分別為（OA、OB、OC），所有測量位置上各頻率點的測點點數如表1所示：

表1 半消聲室（7.2m×7.2m×2.8m）的測量點數

由表可知，該半消聲室的自由聲場的頻率范圍和空間范圍的校準點有2125個，在每條測試路徑用尺子人為步進移動傳聲器0.1m，固定后讀取pulse上的聲壓級示值，再在記錄紙上作原始記錄，校準時間極長，以該半消聲室來說，校準要耗時2～3天。

（2）手工步進移動精度較低，引入誤差較大。

依據現(xiàn)有手動校準裝置，在每條測試路徑用卡尺人為步進移動傳聲器0.1m（用肉眼讀尺子上刻度），精度較低，距離測量誤差最大估計為10mm，所引入的最大誤差為±0.07dB，按均勻分布考慮，取，故其引入的不確定度為：。

（3）數據處理復雜。

自由場精度反平方律的計算。

在規(guī)定位置測得的聲壓級，在每個測量方向上用以下公式（1）計算反平方律聲壓級，

式中：L——距離r處的反平方律聲壓級，dB；

r——測量距離，m。

參數a由下式計算給出[3］：

Lpi——第i個測量點的聲壓級，dB；

ri——聲源假定聲中心到測量點的距離；

N——沿每個傳聲器路徑的測量點數目。

r0為聲源實際中心與假定聲中心之間的距離。r0由下式（3）給出：

由上述公式可知，自由場的反平方律計算比較復雜，且數據需要在測試完整條路徑后才能得出，如測試期間有出現(xiàn)偏離數據或離散數據，將對整條路徑的測量有很大的影響。

3 消聲室自動校準裝置各組成部分功能及設計要求

3.1 傳動控制部分設計

如圖（1）所示，將夾有傳聲器的滑動輪小車安裝在測試路徑的鋼絲繩上，鋼絲繩一端固定于帶吊環(huán)的吸盤，另一端固定于消聲材料的滑輪上，小車用牽引繩牽引著，應保證滑動小車在鋼絲繩上行進應平穩(wěn)，順滑，計算機通過步進電機自動控制傳聲器沿著測試路徑的移動，以保證在規(guī)定線路上停下測量，其中滑輪上安裝的夾具有10～15mm的水平調整空間，以便不同尺寸傳聲器的安裝。

圖1 消聲室自動校準裝置傳動部分示意圖

PC機通過以太網向運動控制器發(fā)出控制指令并獲取其信息，通過動態(tài)鏈接庫可以實現(xiàn)對自己的單軸電機走動進行精確、高速、協(xié)調的控制。

運動控制可以描述為以下幾個步驟：

（1）PC應用程序，通過參數配置，人機操作接口傳遞給設備的控制軟件；

（2）設備的控制軟件將操作信息轉化為運動參數并根據這些參數調用DLL庫；

（3）運動函數調用運動控制器驅動程序發(fā)出控制指令給控制器；

（4）運動控制器再根據控制指令發(fā)出相應的驅動信號（如脈沖、方向信號）給驅動器及電機、讀取編碼器數據、讀寫通用輸入輸出口。

圖2 消聲室和半消聲室自動校準裝置硬件控制部分

3.2消聲室和半消聲室自動校準裝置的控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過計算機控制伺服電機驅動系統(tǒng)，實現(xiàn)對傳聲器的速度和步進位移的控制。且在運行的過程中，實時讀取pulse（3560B）聲分析系統(tǒng)的聲壓級示值，并做數據處理。控制系統(tǒng)方案見下圖3。

圖3 消聲室和半消聲室自動校準裝置的控制系統(tǒng)方案

在上述系統(tǒng)設計中，PC機作為上位機，通過對上位機的控制完成傳聲器的步進移動、聲壓級示值讀取、數據處理等，故該PC機應置放于消聲室和半消聲室門外，可避免人為操作、說話、行動等發(fā)出的噪聲對校準結果（聲壓級示值）的影響。步進驅動系統(tǒng)由“PC+運動控制器+交流伺服驅動器+交流伺服電機+傳聲器”組成，而PC置放于室外，傳聲器在室內，交流伺服控制器+交流伺服電機間的CN1控制信號線電纜不超過3米，反饋信號CN2電纜長度不超過20米，故運動控制器+交流伺服驅動器+交流伺服電機也必須置放于室內，運動控制器須選用以太網接口的網絡型運動控制器，一方面能滿足VC軟件系統(tǒng)的開發(fā)需求[4］，另一方面以太網接口的網線能滿足室外的PC與室內的交流伺服系統(tǒng)的長距離連接需求。

聲壓讀取系統(tǒng)由“PC+Pulse聲分析系統(tǒng)+傳聲器”組成，該聲分析系統(tǒng)也須選用網絡型接口的，用于支持長距離連接。

3.3 數據處理系統(tǒng)

PULSE系統(tǒng)的平臺包括軟件、硬件兩個部分。測量平臺可搭建為圖4所示。硬件部分為3560B型數據采集前端，前端中的模塊可以按照用戶的測量和分析任務來選擇，其中必須包含一個網絡接口模塊，如7533、7536或者7537、7539型模塊[5］。軟件部分為7700型平臺軟件及其應用軟件（7700型還可以細分為7770型FFT分析和7771型CPB分析）。

圖4 PULSE讀取系統(tǒng)

該裝置通過VC++,自動調取pulse的測試數據，并對數據進行分析和計算，自動得出每個頻率點、每個點位的聲壓級以及偏差。如圖5所示。

圖5 聲壓級以及偏差自動測量軟件

4 結論

所設計開發(fā)出的全消聲室和半消聲自動校準裝置，實現(xiàn)了計算機自動控制傳聲器的步進移動，自動讀取pulse聲壓級示值并作數據處理，打印出完整的校準結果記錄。將原先需要2～3天的工作量減少到0.5天，很大程度上提高了計量檢定人員的工作效率，降低了人為因素的影響，提高了消聲室檢測的準確性。

[1］《計量測試技術手冊》編輯委員會. 第9卷 聲學計量測試技術手冊[M］. 中國計量出版社. 1995.

[2]GB 50800-2012 消聲室和半消聲室技術規(guī)范 [s］.

[3]JJF 1147-2006 消聲室和半消聲室聲學特性校準規(guī)范[s］. 2006.8.

[4］孫洪鵬. 消聲室在聲學計量方面的研究[J］.計量與測試技術，2015（8）.

[5］朱德銘,鄺永輝,艾曉曉.PULSE電聲測量系統(tǒng)在傳聲器指向性測量中的應用 [J］. 電聲技術,2015（8）.Research on Automatic Calibration Device Based on Anechoic Room Testing

LI Qun
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

This paper based on the current anechoic room calibration status, according to the requirement of JJF 1147-2006 ‘calibration specifi cation on acoustic characteristic of Anechoic room and semi-anechoic room’, makes a research and design on the calibration device of anechoic room. The paper has beendeveloped a new automatic calibration system, and provided the uncertainty evaluation of the system, to improve the effi ciency of test personnel and test accuracy, and reduce the infl uence of human factors on test results.

Sound pressure level; Anechoic room; Metrology calibration; Acoustic characteristic

2016-03-18

李 群，男，福建省計量科學研究院，力學室副主任，工程師，碩士