楊易寧 鄧崢 安兆亮 陳文王 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

無指向性聲源是指能向各個方向發(fā)出相同幅值聲波的一類聲源，主要用于隔聲量、廳堂音質、混響時間、吸聲系數(shù)等聲學特性的測量。國內進行無指向性聲源校準依據(jù)的是JJF 1468—2014《無指向性聲源校準規(guī)范》[1]，該文本對用于校準無指向性聲源的校準設備、校準流程進行了規(guī)范，但是對具體的細節(jié)部分沒作特別的規(guī)定，這使得具體操作時存在一定的困難[2-6]。

無指向性聲源校準的核心問題在于解決指向性指數(shù)的校準問題，對此，Ibarra D 等學者[7]將聲源通過三腳架安裝在轉臺上對指向性進行測試，但是其研究的準確度要求不高，因此，沒有考慮中心對準問題，最終得到的測量結果準確度也比較低。姜波等學者[8]在測量揚聲器指向性時通過CLIO10 和EASERA 軟件完成了對轉臺轉動和數(shù)據(jù)采集的一體化控制，同樣沒有考慮中心對準問題，同時揚聲器與無指向性聲源在聲學特性上也有較大區(qū)別。本文設計了一種無指向性聲源自動校準的解決方案，采用激光定位的方式解決了中心對準問題，提高了指向性指數(shù)的校準準確度，且提升了校準的效率。

1 指向性的校準方法

如圖1 所示，根據(jù)校準規(guī)范的要求，在消聲室內，將無指向性聲源固定在轉臺上，由粉紅噪聲激勵聲源，在距離聲源的聲中心1.5 m 處位置使用傳聲器測量頻帶聲壓級，每測量一組數(shù)據(jù)，轉臺轉動5°，從而在整個測量平面的360°范圍內采集得到72 組不同角度下的聲壓級數(shù)據(jù)。將所有測點聲壓級的能量平均值減去每個30°弧形區(qū)域內的7 個點聲壓級的能量平均值，即可得到該區(qū)域的指向性指數(shù)。

圖1 無指向性聲源指向性校準方法

以60°位置為例，聲源在60°位置的指向性指數(shù)為

θ——測點位置，θ=0°，5°，10°，…，355°；

Lθ——在角度為θ處測得的聲壓級，dB；

τ——測點位置，τ=45°，50°，55°，60°，65°，70°，75°

指向性指數(shù)的大小反映了聲源的指向性，對于無指向性聲源，指向性指數(shù)越小說明聲源的性能越好。表1 列出了1/3 倍頻程下指向性指數(shù)的最大允許誤差。

表1 1/3 倍頻程下指向性指數(shù)的最大允許誤差[1]

2 指向性指數(shù)自動校準的實現(xiàn)

2.1 中心對準

聲源指向性校準實驗過程中，要盡可能避免測量本身引入的誤差，其中聲中心偏離引入的誤差影響尤為顯著。聲中心的偏離主要由兩個因素引起，其一是無指向性聲源的旋轉中心與聲中心存在同軸度偏差，隨著旋轉角度的變化，聲中心會發(fā)生偏移；其二是傳聲器沒有對準聲源的聲中心，傳統(tǒng)的人工定位方法通過三維測距進行定位，可以保證傳聲器的頭部定位在準確的位置，但是由于傳聲器的頭部是一個平面，其本身也存在指向性，信號是否垂直入射到平面上會使得測得的聲壓級值有明顯差異，故傳聲器的對準定位誤差會使測得的聲壓級值產(chǎn)生測量誤差。

為了保證旋轉中心與聲中心重合，關鍵在于聲源的固定裝置。如圖2 所示，將固定架的底盤與轉臺用螺栓完全固定連接在一起，底盤再帶動上方的連桿和聲源旋轉。比起傳統(tǒng)使用三腳架固定聲源的方式，這樣既可以從固定裝置入手解決聲源旋轉中心同軸問題，也在承重安全方面提供了保障。

圖2 無指向性聲源固定裝置

針對傳聲器的對準問題，采用激光定位設備來進行傳聲器的定位，在固定裝置的底盤上設計了一個激光器固定裝置，如圖3 所示。該固定裝置可以在豎直平面自由旋轉，使安裝在固定裝置上的激光器可以將激光射向豎直平面內的每個位置。選用的“一字線”激光器可以投射出一條直線，因此，當激光器向下時，發(fā)出的激光可以與底盤上的半徑分度線進行對齊；當激光器向上時，發(fā)出的激光可以投影到傳聲器上，當激光在傳聲器上的投影也呈一條直線時，就說明傳聲器與聲源在同一豎直平面內。對于水平平面，在消聲室的遠處布置一個水平激光儀，當水平激光儀的激光同時投影到傳聲器和聲源的中心線上時，就能確保傳聲器與聲源在同一水平平面內。如圖4 所示，傳聲器與聲源既處于同一豎直平面又處于同一水平平面，因此，它們處于同一直線上，通過這種激光對準方法解決了傳聲器對準聲源聲中心的同軸問題。圖5 為實際測試的場況。

圖3 聲源固定裝置與激光器

圖5 激光定位實測圖

2.2 自動控制

測量指向性指數(shù)需要每隔5°進行一次測量。由于測量的點位很多，如果轉臺與測試進程均手動控制，不僅會耗費大量的時間，而且存在人為操作引入誤差的可能性，因此，需要設計一套自動控制的程序來控制整個校準過程。

控制程序使用MATLAB 進行編寫，算法流程如圖6 所示，主要分為三個步驟：第一步是測量過程，計算機通過控制程序，向多通道聲分析儀發(fā)出指令，讓其提供的粉紅噪聲信號通過功率放大器激勵無指向性聲源，使聲源發(fā)聲，同時收集傳聲器采集到的聲壓級數(shù)據(jù)，并儲存在計算機中；第二步是轉臺轉動過程，當完成一次測量過程后，計算機給轉臺發(fā)出指令，讓它旋轉5°，并且讓轉臺返回一個當前角度的數(shù)值至計算機，供操作者隨時監(jiān)控；第三步則是一個狀態(tài)判斷過程，從0°起始位置開始，每次轉臺旋轉完畢后，判斷是否已經(jīng)轉完一圈。如果沒轉完則回到第一步，如果轉完了則結束測量進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理與計算。自動控制程序的存在大幅提高了工作效率，也使得整個工作進程變得更加合理。

圖6 自動校準流程

3 測試結果分析

為了驗證激光定位的引入對指向性指數(shù)校準結果的影響，在上海市計量測試技術研究院的全消聲室對杭州某公司生產(chǎn)的AWA5510 型無指向性聲源進行校準。根據(jù)校準規(guī)范對測量指向性指數(shù)的要求，測試頻率為100 ～5 000 Hz。對同一臺無指向性聲源，分別采用激光定位和手動定位的方式對指向性指數(shù)進行重復性測試，各測試六次，然后對標準偏差進行分別計算，標準偏差結果如圖7 所示。從圖中可以看出，經(jīng)過激光定位后，六次測量的標準偏差要明顯小于手動定位的結果，其標準偏差最大不超過0.3 dB，可以滿足無指向性聲源指向性指數(shù)校準的要求，而手動定位的結果其標準偏差最大超過了0.7 dB。標準偏差的對比結果表明，通過激光定位后的無指向性聲源指向性校準具有較好的復現(xiàn)性。

圖7 激光定位與手動定位標準偏差的對比

4 結語

本文介紹了一種自動校準無指向性聲源的指向性指數(shù)的解決方案，包括設計固定裝置、設計對準方法、編制控制程序這三個組成部分，該方法具有準確、便捷、快速、易復現(xiàn)等優(yōu)點。該方案的建立解決了無指向性聲源指向性校準問題，完善了無指向性聲源校準溯源體系，提升了指向性指數(shù)的校準準確度，為保障無指向性聲源指向性指數(shù)的量值統(tǒng)一提供技術支撐。