CN101834584A - 高声强脉冲声发生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高声强脉冲声发生系统。系统包括：扬声器和功率放大器，用于产生高声强的脉冲声和其他类型的噪声；一个可移动的隔声箱，用于放置扬声器便于进行实验和保护隔声箱外的操作人员；传声器、数据采集装置和计算机，用于产生和监测噪声，并对馈给扬声器的电信号进行频率补偿，可以产生不同参数的脉冲噪声，实现脉冲噪声的参数控制和可重复性，适用于高强脉冲声研究以及对生物听觉影响的实验。

Description

高声强脉冲声发生系统

一、技术领域

本发明涉及一种高声强脉冲声发生系统，具体而言，涉及一种用于产生高声强脉冲声的装置，除了脉冲声外还可以产生单频噪声、白噪声和粉红噪声。

二、背景技术

脉冲噪声广泛存在于军事作业和工业生产中，如枪炮声、爆炸声、纺织厂的机梭声、机械制造业的锻、铆、冲等，脉冲噪声时间间隔短，声强高，会对人的听觉造成严重的影响。为了研究脉冲噪声特性以及高强脉冲噪声对生物听觉所造成的影响需要相应的噪声源进行实验。

现有专利中关于脉冲声的产生方法主要有：压缩气体、撞击、电火花发生器、手枪、鞭炮、炸药等。脉冲噪声的参数主要有：脉冲形状、宽度、脉冲强度和重复频率。上述产生脉冲噪声的方法都很难对脉冲噪声的参数进行量化控制，而且重复性差。本发明使用扬声器系统作为脉冲声源，应用信号处理对馈给扬声器的信号进行预先补偿，抵消扬声器频响和箱体内混响对脉冲声波形的影响，可以产生所需波形的脉冲声，对脉冲声的参数容易控制，重复性好；本发明除了可以产生脉冲声外还可以产生其他类型的噪声，包括单频噪声、白噪声和粉红噪声，方便进行除脉冲声以外的其他噪声测量。

三、发明内容

1、发明目的：采用动圈式扬声器系统来产生高声强脉冲声和其他类型的噪声，通过计算机系统进行控制，可以方便控制脉冲噪声的各个参数。该装置包括扬声器和功率放大器，用于产生高声强的脉冲声和其他类型的噪声；一个可移动隔声箱，用于放置扬声器和进行实验，并对外部操作人员进行听力保护；传声器、数据采集装置和计算机，用于产生和监测噪声，并对馈给扬声器的电信号进行频率补偿。

2、技术方案：

对于动圈式扬声器，产生白噪声、粉红噪声和纯音都是相对容易的，但由于扬声器的频率响应一般不是平直的，当给扬声器输入一个理想的脉冲信号时，扬声器所发生的信号会产生畸变。此外，由于扬声器放置在隔声箱内，箱体内的混响也会影响脉冲的波形。为了得到理想形状的脉冲信号以及消除混响的影响，在电信号馈给扬声器之前用信号处理中的方法进行补偿，包括以下步骤：

(1)测量扬声器系统的传递函数

扬声器的频响是不平直的，为了获得理想的脉冲声源，需要测得扬声器系统的传递函数。测量时的输入信号选用白噪声进行测量，经过多次平均即可以得到扬声器系统的传递函数。

对于扬声器系统，输入功率放大器的电信号为x(t)，传声器测得的扬声器输出的声信号为y(t)，分别对x(t)和y(t)进行傅立叶变换就可得到输入信号和输出信号的频谱X(f)和Y(f)，二者的比值Y(f)/X(f)就是系统的传递函数。通常由于信号中常包含有噪声，对于扬声器系统而言，输入的电信号一般噪声较小，而传声器测量到的输出信号则会包含环境的背景噪声等，这样计算得到的传递函数就会和实际系统有差别。为了抑制输出信号中噪声对传递函数的影响，可以通过计算x(t)和y(t)的自谱和互谱来得到系统的传递函数：

$C\left(f\right)=\frac{G_{\mathrm{XY}}\left(f\right)}{G_{\mathrm{XX}}\left(f\right)}---\left(1\right)$

(2)计算逆传递函数

系统的传递函数取倒数即为系统的逆传递函数，但由于系统传递函数存在一些接近零的极小值，这样取倒之后便会出现一些极大值，为了消除这些奇异点的影响，逆传递函数的计算为：

$H\left(f\right)=\frac{C^{*}\left(f\right)}{C\left(f\right)C^{*}\left(f\right)+k}---\left(2\right)$

其中，k为一个常数，主要用来避免当C(f)非常小时逆传递函数H(f)不会出现无穷大，其取值一般应在保证系统稳定的同时尽量小。

(3)对馈给扬声器系统的电信号进行补偿修正

若期望扬声器输出的脉冲信号的时域表达为：x(t)，对其做傅立叶变换有：X(f)，则用系统的逆传递函数进行补偿后的频域表达为：

X_c(f)＝X(f)H(f)(3)

对X_c(f)做逆傅立叶变换，即可得到驱动信号的时域表达：

将x_c(t)馈给扬声器系统中的功率放大器的输入，则系统就可以输出期望的信号x(t)。

本装置可以产生1ms～10ms的正弦波脉冲声，时间间隔最小为0.3s，距扬声器0.1m处峰值声压可以达到130dB。

3、有益效果：本发明的显著优点在于：(1)可以对脉冲噪声的参数进行控制，便于重复实验；(2)除了可以产生脉冲噪声外，扬声器系统也可以方便地产生其他各类噪声，包括白噪声、粉红噪声和单频噪声；(3)采用数学信号处理技术对信号进行补偿，可以得到需要的脉冲波形。

四、附图说明

图1是高声强脉冲声发生系统示意图

图2是扬声器发出的正弦波脉冲声的时域波形

图3是本发明对脉冲声进行修正所产生的正弦波脉冲声的时域波形

五、具体实施方式

本发明提出的高声强脉冲声发生系统具体实施方法如下：

图1是一个高声强脉冲声发生系统的示意图。其中，该系统包含一个可移动的隔声箱100，便于进行实验，箱体内壁贴吸声材料，尽量减小箱体内混响对声场的影响。由于箱体内产生的声级较高，要保证箱体具有一定的隔声量，同时也要考虑箱体的通风透气，在通风口处设置消声管道。隔声箱100内部放置一个大功率扬声器101可以将输入的电信号转换成相应的噪声信号。隔声箱100中还包含一个测量声压级的传声器102，用于监测噪声和测量传递系统函数。隔声箱100外部包括功率放大器103、数据采集装置104和计算机105。数据采集装置104用于产生相应的电信号和监测传声器102测得的声压级，功率放大器103用于对数据采集装置104产生的电信号进行放大来驱动扬声器101。计算机105用于对数据采集装置104进行控制和数据处理，计算整个系统的传递函数并对信号进行修正。

产生脉冲声的步骤如下：

(1)测量扬声器系统的传递函数，由数据采集装置104产生白噪声信号馈给功率放大器，记录馈给功率放大器101的电信号，测量传声器101测得的声信号，计算扬声器系统的传递函数。

(2)根据得到的系统的传递函数计算扬声器系统的逆传递函数；

(3)用计算的逆传递函数对馈给功率放大器101的电信号进行频率补偿，用测量传声器101监测声信号。

图2是未经信号修正所产生的一个1ms正弦波脉冲信号，图3是本发明所产生的一个1ms正弦波脉冲信号的时域波形，可以看出未经处理所产生的波形发生了较大的畸变，经过信号处理后所产生的波形与期望基本相符，这样便于重复测试，以及对脉冲声的参数进行设置。

Claims (6)

1.一种用于产生高声强脉冲声的系统，包括：

扬声器和功率放大器，用于产生高声强的脉冲声和其他类型的噪声；

一个可移动的隔声箱，用于放置扬声器进行实验和保护隔声箱外的操作人员；

传声器、数据采集装置和计算机，用于产生和监测噪声，并对馈给扬声器的电信号进行频率补偿。

2.根据权利要求1所述，高声强脉冲声系统可以产生脉冲噪声和其他类型的噪声，包括单频噪声、白噪声和粉红噪声。高声强脉冲声系统可以对脉冲声的宽度、间隔和强度进行设置。

3.根据权利要求1所述，高声强脉冲声系统的扬声器放置在一个可以移动的隔声箱内。

4.根据权利要求1所述，高声强脉冲声系统对馈给扬声器的电信号进行信号处理，对扬声器的频响和箱体内的混响进行补偿，进而产生不同参数的脉冲噪声。根据权利要求1所述，高声强脉冲声系统对信号进行补偿时，选用白噪声进行测量测得系统的传递函数，即馈给扬声器系统的电信号和传声器测得的声信号间的传递函数；然后求得系统的逆传递函数，用逆传递函数对脉冲信号进行频率补偿。

5.根据权利要求1所述，高声强脉冲声系统用传声器对箱体的噪声进行监测，以及用于测量系统的传递函数。

6.根据权利要求1所述，高声强脉冲声系统使用计算机计算系统的传递函数，逆传递函数，并对脉冲信号进行频率补偿。

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