CN101383147B - 椭球体声聚能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于在航天工程、医学研究及噪声防护等研究过程中使用的椭球体声聚能方法，该方法按下列步骤进行：①设计椭球体声聚能室；②确定椭球体声聚能室内声源焦点及点聚焦声场焦点的位置或者确定椭球体声聚能室内声源位置及线聚焦声场区域的位置；③选择和安装声源；④接通声源的信号源后，声源产生的声波从椭球体声聚能室内的声源焦点处经椭球体内壁的反射聚集在点聚焦声场焦点或线聚焦声场区域内。本发明可以使用声输出较小的声源，达到数倍于声源可建立的声场之强度。在椭球体内聚能声场的声压级可以比声源在自由声场中得到的声压级高25-34dB，可大大地节省研制新型大功率声源所需的大量人力、物力资源，节省为驱动气动扬声器所需的超大规模气源等费用。

Description

椭球体声聚能方法

技术领域

本发明涉及为试验所需而获得强声场的方法，特别涉及一种适用于在航天工程、医学研究及噪声防护等研究过程中使用的椭球体声聚能方法。

背景技术

在国防工业中，如航天工程、医学研究、噪声防护等研究过程中，需要一种具有一定频谱要求的高声强声场环境，用以研究航天器材料及内部仪器对强噪声的依赖性，或者生物对强次声场的生理反应。这种声场的提供，对此类研究具有举足轻重的意义，在某种程度上说，决定了此类实验的最终结果。

以往这种超强声场的获得主要依靠以下途径完成，即使用大功率的声源，在混响室或行波管中得到。但随着航天器对材料、仪器要求的提高，以及其本身体积的增大，若要得到试验所需的强声场环境，就要求有一个在大功率声源配合下的大型混响室。而这存在很多实际上的困难，首先就声源来说，目前大功率声源不外乎有电动式扬声器和调制气流式扬声器两种，前者由于辐射功率低的限制，要提供大空间、高声压级的混响声场是不可能的。而后者虽然在理论上是可以实现的，但实际操作上受到一定程度上的技术和材料的制约。如目前国产的1万至2万声瓦的调制气流式扬声器的寿命和频响都不尽如人意，但使用的压缩空气量却大的惊人。如果要求再提高调制气流式扬声器的输出声功率，难度会更大，几乎成为世界性难题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种椭球体声聚能方法，该方法使用目前已经研发出来的声源产品，置入本发明所创建的“椭球体声聚能室”中，把声源辐射到空间的全部声能，集聚到一个较小的空间中，即聚能声场中，大大提高了现有声源的声能利用率，达到创建符合频谱要求的高声强声场的环境要求。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：一种椭球体声聚能方法，其特征为按下列步骤进行：

①、设计椭球体声聚能室

首先确定椭球体的简正频率与椭球体长轴有以下关系式：Fn＝C/[2a/(n+0.54)]，然后根据关系式求出椭球体长轴的设计尺寸；其中Fn为椭球体内声场的第n阶“简正频率”；C为声速；n为“简正频率”的阶数；0.54为平均相位损失系数；2a为椭球体的长轴尺寸；再设计椭球体的两个短轴尺寸；然后按照椭球体长轴和两个短轴的设计尺寸制造椭球体声聚能室；

②、确定椭球体声聚能室内声源焦点及点聚焦声场焦点的位置或者确定椭球体声聚能室内声源位置及线聚焦声场区域的位置

首先根据椭圆两焦点之间距离公式： $c=\sqrt{a^2-b^2}$ 先确定椭球体声聚能室内声源焦点至聚焦声场焦点的距离，再在椭球体长轴上确定声源焦点及点聚焦声场焦点的位置，或者根据声源焦点及点聚焦声场焦点的位置确定椭球体声聚能室内声源位置及线聚焦声场区域内；

③、选择和安装声源

将选择好的声源安装在椭球体声聚能室内声源焦点位置上，且将被测物置于点聚焦声场焦点位置上，或者将两个以上声源安装在椭球体声聚能室内与声源焦点左右相邻的位置上，且将被测物置于与点聚焦声场焦点左右相邻的线聚焦声场区域的位置上；

④、接通声源的信号源后，声源产生的声波从椭球体声聚能室内的声源焦点处经椭球体内壁的反射聚集在点聚焦声场焦点或线聚焦声场区域内。

本发明具有以下优点：1、本发明可以使用声输出较小的声源，达到数倍于声源可建立的声场之强度。在椭球体内聚能声场的声压级可以比声源在自由声场中得到的声压级高25-34dB，可大大地节省研制新型大功率声源所需的大量人力、物力资源，节省为驱动气动扬声器所需的超大规模气源等费用。2、椭球体聚能声场的高强度噪声场，可广泛应用于制造航天器的材料和适用于航天器的仪器做声疲劳试验和适应性实验。亦可供医学研究人员做高强度噪声对人体、对动植物的影响程度试验或如何防护的试验等。

附图说明

图1是椭球体声聚能室内声源焦点及点聚焦声场焦点示意图。

图2是声源发出的声波形成点聚焦声场示意图。

图3、图4是声源发出的声波形成线聚焦声场示意图。

图5是实施例1中声源安装方式示意图。

图6是实施例1中用正弦信号测量的消声室内和椭球体内频响曲线对比图。

图7是实施例1中用倍频程粉红噪声测量的消声室内和椭球体内频响曲线对比图。

图8是实施例2中声源安装方式示意图。

图9是实施例2中用正弦信号测量的消声室内和椭球体内频响曲线对比图。

图10是实施例2中用倍频程粉红噪声测量的消声室内和椭球体内频响曲线对比图。

具体实施方式

参照附图，椭球体声聚能方法按下列步骤进行：

①、设计椭球体声聚能室

首先确定椭球体的简正频率与椭球体长轴有以下关系式：Fn＝C/[2a/(n+0.54)]，然后根据关系式求出椭球体长轴的设计尺寸；其中Fn为椭球体内声场的第n阶“简正频率”；C为声速；n为“简正频率”的阶数；0.54为平均相位损失系数；2a为椭球体的长轴尺寸；根据实际需要(声源、试件尺寸，制造成本等)再设计椭球体的两个短轴尺寸，推荐使用两个短轴相等的旋转椭球体；然后按照椭球体长轴和短轴的设计尺寸制造椭球体声聚能室。

椭球体声聚能室以椭球体的几何中心0为三维坐标的原点，水平面上的x轴为椭球体的长轴；水平面上的y轴为椭球体的一个短轴，垂直于水平面的轴为椭球体的另一个短轴，如果两个短轴相等，这个椭球体就是一个旋转椭球体。椭球体声聚能室的尺寸大小可视需要而定:若需要频率在100Hz以上，简正频率间隔小于20Hz的聚能声场，可选择长轴为9m，短轴7.2m左右为宜。若需要频率在150Hz以上，简正频率小于20Hz的聚能声场，则可以选择长轴为6m，短轴4.8m左右为宜。

②、确定椭球体声聚能室内声源焦点及点聚焦声场焦点的位置或者确定椭球体声聚能室内两个以上声源焦点及线聚焦声场焦点的位置

首先根据椭圆两焦点之间距离公式： $c=\sqrt{a^2-b^2}$ 先求出椭球体声聚能室内声源焦点至聚焦声场焦点的距离，再在椭球体长轴上确定声源焦点及点聚焦声场焦点的位置，或者根据声源焦点及点聚焦声场焦点的位置确定椭球体声聚能室内声源位置及线聚焦声场区域的位置。

在平面直角坐标系中，椭圆的标准方程为： $\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$ 其中a>0，b>0。a、b中较大者为椭圆长半轴长，较短者为短半轴长。当a>b时，焦点在x轴上，焦距＝2c， $c=\sqrt{a^2-b^2}$

对于旋转椭球体，可以根据以上公式找出椭球体长轴上的两个焦点，两个焦点对称地位于椭球体几何中心0的两侧，如图1所示。利用椭球体声聚焦的特性，通过选择声源性能和声源的安装位置，可在椭球体内创建一个希望得到的频谱和强度的聚能声场空间。

③、选择和安装声源

将选择好的声源安装在椭球体声聚能室内声源焦点位置上，且将被测物置于点聚焦声场焦点位置上，或者将两个以上声源安装在椭球体声聚能室内与声源焦点左右相邻的位置上，且将被测物置于与点聚焦声场焦点左右相邻的线聚焦声场区域位置上。

利用椭球体的声聚焦特性，从椭球体一个焦点发出的声波都将在另一个焦点会聚：把声源置于椭球体内声源焦点上，可在椭球体内聚焦声场焦点形成声音的点聚焦声场，如图2所示。

由点聚焦声场介绍可知，在聚焦很好的频段内，声能都集中在以聚焦声场焦点为中心的一个较小区域内。如果要对某材料或物体做高声强噪声试验时，被试材料或器件的样件只能限制在三维空间都不太大的范围内。要做长条形的样品试验，就必须使点聚焦声场变为线聚焦声场才行。通过让声源以声源焦点为中心左右移动，测量以点聚焦焦点为中心左右移动的各点的声场变化情况，找到了线聚焦声场。

也就是说，当声源从左焦点沿长轴向椭球中心方向移动时，聚焦声场焦点处的聚焦区域也向椭球中心方向移动，并且聚焦区域沿长轴向中心方向延长，伴随着聚焦区域的延长，声压级有所下降，如图3所示。相反，当声源从声源焦点沿长轴向离开椭球体中心方向移动时，聚焦声场焦点处的聚焦区域也向离开椭球体中心方向移动。并且聚焦区域沿长轴向离开中心方向延长，伴随着聚焦区域的延长，声压级有所下降，如图4所示。如果用三只扬声器，安装在椭球体的长轴线上，且置于声源焦点及声源焦点左、右方各一只，当三只扬声器同时发声时，在椭球体的聚焦声场焦点处就会出现一个以声聚焦焦点为中心且沿长轴方向的线聚焦声场。其线聚焦声场的聚能区域内的声压级是三只扬声器的聚焦性能的叠加。

④、接通声源的信号源后，声源产生的声波从椭球体声聚能室内的声源焦点处经椭球体内壁的反射聚集在点聚焦声场焦点或线聚焦声场焦点处。

下面结合实施例进一步阐述本发明

实施例1：

首先制作一个椭球体声聚能室的模型：下面的所有实验都是在此模型中进行的。这个模型的长轴为1500mm，短轴为1200mm(注：两个短轴的长度相等，都是1200mm，是一个旋转椭球体)，两个焦点都在长轴上，焦点之间的距离为900mm，每一个焦点到椭球体几何中心0的距离都是450mm，声源选择ф50纸盆扬声器。

声源处理：为了防止扬声器向后辐射的声波与向前辐射的声波相互干涉，需把向后辐射的声波屏蔽掉。因此，将一个导磁碗扣在ф50纸盆扬声器的后面，用以防止向后辐射的声波辐射出去。

安装方式：直接安装于椭球体声聚能室内声源焦点D0上，传声器置于点聚焦声场焦点M0上，如图5所示。

测试过程：

①、将处理完毕的Φ50纸盆扬声器在消声室中用1mlW的测试条件用正弦信号测量出频响曲线，如图6所示。

②、再把处理完毕的Φ50纸盆扬声器置于椭球体模型中的声源焦点D0上，同样馈以1W的电功率，用正弦信号测量出频响曲线，如图6所示。

③、对比上述两条频响曲线可以看出，在椭球体内测出的频响曲线上的各点声压级平均比消声室中测出的频响曲线高20-30dB左右。

如果改用倍频程粉红噪声信号测量，更能说明椭球体的声聚焦特性。图7是使用粉红噪声信号重复上述测量所得的曲线。从这组曲线可以看出，在125Hz以上的各倍频带，椭球体的声压级增益都在26dB以上，声聚焦效果非常明显。

实施例2：

声源选择Φ130复合盆扬声器

声源处理：为了防止扬声器向后辐射的声波与向前辐射的声波相互干涉，把此扬声器放入一个Φ140*400mm的圆形塑料管闭箱中(后部封闭)。为了扩展扬声器的低频响应，在扬声器辐射面前方安装一个Φ140*2400mm的声谐振管。

安装方式：将声谐振管的开口端通过垂直于长轴且朝着声源焦点方向进入椭球体声聚能室内部，使声谐振管开口端正好与椭球体的声源焦点D0对齐，传声器置于点聚焦焦点M0上，如图8所示。

测试过程：

①.将处理完毕的Φ130复合盆扬声器在消声室中用1mlW的测试条件用正弦信号测量出频响曲线，如图9所示。

②.再把处理完毕的Φ130复合盆扬声器置于椭球体模型中的声源焦点上，同样馈以1W的电功率，用正弦信号测量出频响曲线，如图9所示。

③.对比上述两条频响曲线可以看出，在椭球体内测出的频响曲线上的各点声压级平均比消声室中测出的频响曲线高20-30dB左右。

如果改用倍频程粉红噪声信号测量，更能说明椭球体的声聚焦特性。图10是使用粉红噪声信号重复上述测量所得的曲线。从这组曲线可以看出，在125Hz以上的各倍频带(除了250Hz倍频带以外)，椭球体的声压级增益都在26dB以上，声聚焦效果非常明显。

理论分析认为，250Hz倍频带增益稍低的原因是：

①.Φ130mm粗的一条声管，占据了椭球体左焦点附近的大部分空间，这里，声管尺寸对于椭球体模型尺寸来说，不能算是一个点声源了，对于椭球体的聚焦声场可能有一些影响。

②.传声器的位置距离椭球体右顶点是0.3m左右，这个距离正好是286Hz的1/4波长，而1/4波长为墙面入射波与反射波叠加后的声压级最低点。

286Hz临近频率的声压级也是较低点，这一频段都在以250Hz为中心频率的倍频带中，所以此倍频带较其它倍频带增益稍低。

要解决以上问题不难，只要把椭球体的尺寸放大，如把长轴增大至6m，此谷值倍频带就可降至63Hz了。

简正频率公式的推导分析过程及试验数据：分析图6和图9，两种扬声器在不同环境中用正弦信号测得的频响曲线对比图可知：

(1)在椭球体内测得的频响曲线的平均声压级水平，比在消声室内测得的频响曲线的平均声压级水平，高出30dB左右。

(2)在椭球体内测得的频响曲线和在消声室内测得的频响曲线对比，其曲线上出现了很多尖锐的峰值。通常在一般的矩形房间中，存在有许多固有的简正振动模式，即房间的“简正频率”。这些矩形房间的“简正频率”是可以依据房间的三维尺寸，通过公式计算出来的。而在椭球体内，这些频响曲线上按照一定规律出现的尖锐峰值所对应的频率，是否也是椭球体“房间”的“简正频率”呢。

把在DOMO符号记录为：声源置于声源焦点D0，传声器置于聚焦声场焦点M0测得的结果；把D10M-20符号记录为：声源置于声源焦点以右10cm的位置，传声器置于聚焦声场焦点以右20cm的位置；把D-10M30符号记录为：声源置于声源焦点以左10cm，传声器置于聚焦声场焦点以左30cm的位置；……..等等，依次类推。总之，声源和传声器位置正负符号的设定是：向着中心0的方向为正，远离中心0的方向为负。

通过对图6、图9(及更多的扬声器品种在椭球体内用正弦信号测得的频响曲线)进行分析，把这些曲线上各尖锐的声压级峰值点的频率记录下来进行比较。下面是测试记录中的一部分：表中f1代表第一个峰的频率；f2代表第二个峰的频率；………依次类推。

      F1     f2    f3    f4    f5    f6    f7    f8      f9DOMO   165    272   375   487   580690   800    900     975DOM10  165    265   387   487   580   690   775    900     1000DOM20165    272   387  487    580   690   800    900     1060DOM-10 165    272   365  487    580690   800    900     1000DOM-20 165    272   365  462    580   690   800    900     1000

分析这些数据可知：

第一峰值频率f1都是165Hz；以下是相邻两峰频的差值

第二峰频率f2在265-272Hz之间变化，平均值270.6Hz， f2-f1＝105.6Hz.

第三峰频率f3在365-387Hz之间变化，平均值375.8Hz， f3-f2＝105.2Hz.

第四峰频率f4在462-487Hz之间变化，平均值482.0Hz， f4-f3＝106.2Hz.

第五峰频率f5都是580Hz，                              f5-f4＝98.0Hz.

第六峰频率都是690Hz，                                f6-f5＝110Hz.

第七峰频率f7在775-800Hz之间变化，平均值795.0Hz，     f7-f6＝105.0Hz.

第八峰频率f8都是900Hz，                              f8-f7＝105.0Hz.

第九峰频率f9在975-1060Hz之间变化，平均值1007Hz，     f9-f8＝107Hz.

……等等。

根据这些数据分析：这些“峰值频率”之间是有一定规律的，就是相邻两个“峰值频率”之差，几乎都在105Hz左右，分布的很均匀。这些“峰值频率”是怎样产生的？为什么相邻两个“峰值频率”之差几乎是相等的，对于尺寸确定的椭球体，这个频率之差是否是个常数？就此问题，通过研究和探讨认为：上述在椭球体内测量的频响曲线上的尖锐峰值点的频率，就是椭球体的房间“简正频率”。

参照图2，从声源焦点D0辐射出的声波，向着椭球体内部的各个方向传播。遇到椭球体内壁面经反射后全部聚焦到聚焦声场焦点M0上。声波穿过聚焦声场焦点M0后继续前进，直到又遇到椭球体内部壁面的另一个点，再经反射，回到声源焦点D0。

可以证明，声音经过几次反射后，原来椭球体内各种不同方向传播的声音“声线”(声音传播的路线)就几乎全部变得与椭球体的长轴(x轴)平行了。因为椭球体内部是由全反射材料制成的，每次反射声能损失很小，所以声音在椭球内传播的绝大部分时间都是在沿着与长轴(x轴)平行的方向来回反射和震荡。

因为椭圆具有这样的特性：从椭圆上任意一点到椭圆两个焦点的距离之和为常数，所以可以证明：这个常数就是椭圆长轴的长度(这里不再证明)。

所以，从椭球体任意一个焦点发出的声波，或经过任意一个焦点的声波，经两次反射后再回到此焦点，所经过的路程(声程)都是2倍的长轴长度(2a)。

应该说明的是，因为我们在制作此椭球体模型时，考虑到要在长轴方向上两个端点处便于安装扬声器和传声器，所以在长轴的两端各制作了一个ф130*50mm的透声圆筒，伸出椭球体外。测试时，从外面用平板堵住两端，相当于长轴两端各增加了0.05m的长度，长轴共增加了0.10m。这样，长轴就变成了1.60m。

因为声波在椭球内经几次反射后，就基本上都在几乎平行于长轴的方向来回反射了。所以，计算声程时，长轴尺寸按1.6m是合适的。从焦点出发的声波，再回到此焦点所走过的“声程”是2倍的长轴：即2a＝2×1.6＝3.2m。

考虑到声波在椭球体内由一个焦点向各个方向传播。向每个方向传播的声波都要经过两次反射，才能回到此焦点。向各个方向传播的声波，每个方向的反射角和入射角都不相同，返回到此焦点时的声波方向与声波原来发出时的方向也不相同。所以，声波在椭球内传播一个来回的平均相位损失是一个非常不好计算的量，只有通过多次试验，有可能得到平均相位损失值。从而计算出损失的波长数。

设声波在椭球体内从某焦点发出，经两次反射又回到此焦点，总相位损失为0.54λ。则椭球体内的各“简正频率”的数值，可以按下式计算：

Fn＝C/[2a/(n+0.54)]。…………………(1)

其中，Fn是椭球内声场的第n阶“简正频率”。

C是声速(常温下为343米/秒)。

n是一个数字(第n阶“简正频率”就取n)。

0.54是平均相位损失系数。

根据椭球体长轴尺寸，由(1)式可以试算出房间各阶“简正频率”的数值：

F1＝343/(1.60*2/1.54)＝107*1.54＝165Hz 相邻两阶之间的频率差

F2＝343/(3.20/2.54)＝107*2.54＝271Hz …………F2-F1＝106Hz

F3＝107*3.54＝378Hz…………………………………F3-F2＝107Hz

F4＝107*4.54＝485Hz………………………………F4-F3＝107Hz

F5＝107*5.54＝593Hz………………………………F5-F4＝108Hz

F6＝107*6.54＝700Hz………………………………F6-F5＝107Hz

F7＝107*7.54＝807Hz………………………………F7-F6＝107Hz

F8＝107*8.54＝914Hz………………………………F8-F7＝107Hz

F9＝107*9.54＝1020Hz……………………………F9-F8＝106Hz

……等等。

可见，按照椭球体模型的实际尺寸和简正频率的计算公式(1)计算出来的椭球体各阶“简正频率”值，与前面实测的“简正频率”值基本相符。即便有一些偏差，也可能是因为声源(扬声器)有一定的体积，不是一个真正的点声源；另一方面，椭球体模型的制作，也不是非常规矩的，会有一点误差所至。

本发明中获得的所有试验数据均通过丹麦B&K公司生产的PULSE3560B动态信号采集分析系统测量的。

另外在椭球体聚能室设计上要还要注意的几个技术关键：

1、椭球体的选材必须是材质坚硬，具有声全反射和隔声性能良好的材料，质量越大越好，球体内表面应均匀光滑。

2、为了在椭球体内两个焦点处安装声源，传声器(或试验样件)可在椭球体的短轴方向开一个门，供人员出入和器材搬运，必须保证门的内表面与球体一致，并有有效的隔声措施。

3、选用调制气流扬声器做为声源时必须保持气体的清洁、干净(无油污)，并在椭球体短轴方向开一个排气孔。

Claims (1)

1.一种椭球体声聚能方法，其特征为按下列步骤进行：

①、设计椭球体声聚能室

首先确定椭球体的简正频率与椭球体长轴有以下关系式：Fn＝C/[2a/(n+0.54)]，然后根据关系式求出椭球体长轴的设计尺寸；其中Fn为椭球体内声场的第n阶简正频率；C为声速；n为简正频率的阶数；0.54为平均相位损失系数；2a为椭球体的长轴尺寸；再设计椭球体的两个短轴尺寸；椭球体声聚能室以椭球体的几何中心O为三维坐标的原点，水平面上的x轴为椭球体的长轴；水平面上的y轴为椭球体的一个短轴，垂直于水平面的轴为椭球体的另一个短轴，然后按照椭球体长轴和两个短轴的设计尺寸制造椭球体声聚能室；

②、确定椭球体声聚能室内声源焦点及点聚焦声场焦点的位置或者确定椭球体声聚能室内声源位置及线聚焦声场区域的位置

首先根据椭圆半焦距公式：

先确定椭球体声聚能室内声源焦点至聚焦声场焦点的距离，再在椭球体长轴上确定声源焦点及点聚焦声场焦点的位置，或者根据声源焦点及点聚焦声场焦点的位置确定椭球体声聚能室内声源位置及线聚焦声场区域的位置；

③、选择和安装声源

将选择好的声源安装在椭球体声聚能室内声源焦点位置上，且将被测物置于点聚焦声场焦点位置上，或者将两个以上声源安装在椭球体声聚能室内与声源焦点左右相邻的位置上，且将被测物置于与点聚焦声场焦点左右相邻的线聚焦声场区域的位置上；

④、接通声源的信号源后，声源产生的声波从椭球体声聚能室内的声源焦点处经椭球体内壁的反射聚集在点聚焦声场焦点或线聚焦声场区域内。

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