CN102523057A - 一种低频声波自由场声压校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低频声波自由场声压校准方法，包括如下步骤：1）在有限区域中使用校准支架布置发射传感器与接收传感器，当发射传感器辐射出一定参数的脉冲信号后，通过接收传感器采集接收到的声压信号；2）改变校准支架在校准区域中的绝对位置，而发射传感器与接收传感器仍位于校准支架原位置上，二者之间的相对位置与距离不变，再次通过接收传感器采集接收到的声压信号；3）将两次采集的信号进行同步叠加，将叠加后的信号进行平均处理，即可得到所需的自由场声压信号。发明有益的效果是：本方法实施操作简单方便，可以无需考虑边界反射的影响，可以在声波的低频频段有效抑制反射信号对于直达声信号的影响，拓展室内自由场声压校准的频率下限，方法可靠。

Description

一种低频声波自由场声压校准方法

技术领域

本发明涉及一种声场信号处理技术，尤其是一种低频声波自由场声压校准方法。

背景技术

1、自由场校准

自由场是自由声场的简称，是指声源在均匀的、各项同性的无限媒质中所产生的、没有反射声和散射声的声场。在声学校准测试中，最常用的、最符合实际使用环境的声场当属自由场。由于在不同介质中的声速和密度的不同，声波在介质的分界面上会产生反射与折射。有时即使存在反射声和散射声，但它们对于一定区域或在某一时间间隔内对声源的原始辐射声场没有影响，该声场也属于自由场。

边界的声反射或声散射是破坏自由场条件的最主要因素，因为边界的反射声或散射声能够与声源辐射的声波叠加，从而完全改变声源本身的辐射声场。

开展自由场校准必须克服声场中的反射。为此在校准设备中常使用脉冲信号技术，以便从发射器辐射出的直达信号与回声信号可以在时域上分离出来。脉冲法的参数主要应根据发射器与接收器在声场中的几何位置来确定，在CEI/IEC60565中有详细的规定建议。然而传统脉冲法的缺点是：随着频率的降低，声波波长增大，脉冲法的效果也在下降甚至无法适用，这也造成了自由场校准的频率下限的限制。此外，还可以根据所要校准声压的频率降低选择尺寸更大的区域进行声学校准，如湖泊和海洋，以传播衰减来消除反射声信号的影响。但是湖泊和海洋实际上也是有边界的，对于极低频率的声信号仍然无法适用。同时，在湖泊和海洋上开展声压校准需要投入巨大的成本，还要受到气候条件、外场环境以及水文条件的影响。另外还可以运用消声技术在有限区域的边界上敷设消声器，以模拟无限大区域自由场以便进行声学校准。但在实际工程中，敷设消声器的边界不可能完全消声，特别对于低频声信号尤其如此。

正因为如此，目前在室内实验室中，低频声波自由场声压校准的最低频率受试验区域空间的限制，超出最低频率下限的低频频段内的自由场校准尚无法在室内试验区域中开展。

2、声学校准中的脉冲信号技术

正弦脉冲信号是正弦连续信号被矩形脉冲信号调制而产生的信号。正弦脉冲信号中的基波频率与正弦连续信号的频率相等，正弦脉冲信号的脉冲宽度τ和重复周期T即为矩形脉冲的宽度和重复周期。在实际使用中，基波频率就是测量频率，τ和T可以任意调节。

正弦脉冲信号也是声学校准测试中常用的测量信号。它的主要特点是信号出现的短暂性和重复性，利用它的这一特点可在非开阔区域条件下得到短暂的又可重复的自由声场。由于脉冲声的短暂性和声程长度的不同，可清晰地区分出有用的直达声信号脉冲和有害的电串漏脉冲及边界、障碍物等反射声干扰脉冲。这样，通过对直达声信号脉冲的测量就可完成自由场条件下的声学量或电声参数测量。

正弦脉冲信号的另一特点是它激励一个谐振系统时，所产生的正弦脉冲波形具有暂态特性。脉冲开始激励系统时，输入的能量并不是马上就变成系统的有功振荡能量，而是在系统中储存起来，其表现形式为脉冲内正弦信号幅度慢慢增大直至最大值，这一储存过程称为前部暂态阶段。接下来就以最大值为振幅作稳定的等幅度振荡，直至激励脉冲结束，这一过程称为稳态振荡阶段。激励脉冲结束后，输出脉冲内的正弦振荡并不立即停止，而继续以原频率振荡，但幅度慢慢减小直至为零，这种衰减振荡形式是系统内存储的能量逐渐被释放的结果，这一过程称为尾部暂态阶段。在理论上，前后两个暂态阶段中的振荡幅值都随时间呈指数变化，前者呈指数增大，后者呈指数衰减。在前部暂态阶段中振荡幅值ξ与时间t的关系为

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_m(1-e^{(-\mathrm{\π}{f}_0)/Q_0\·t})$

式中：ξ_m-稳态时的振幅值；

f₀-系统谐振频率；

Q₀-谐振系统的品质因数。

因为在实际的自由场测量中所用的区域很少是完全理想的，正弦脉冲信号就成为一般自由场测量所使用的主要信号。但在常规的声学校准测量中，这种信号的使用还受到多种条件的约束，且有些约束条件又是相互制约的。因此，必须注意正确使用这种信号，其中包括正确选择脉冲宽度以及正确选择脉冲重复周期T。

常规声学校准中脉冲宽度τ的选择有多个约束条件，正确的选择是使τ满足所有的条件。这些条件如下：

(1)τ必须足够大，应保证能在稳态振动状态下进行测量。这是使信号在时间上达到稳态对τ的要求。正弦脉冲信号输入谐振系统时，其输出脉冲的前部和尾部都有暂态现象。同样，正弦脉冲激励声传感器时，它的输出声脉冲也会有暂态现象。一般情况下，自由场测量的参数都是按稳态工作状态定义的，因此声脉冲的暂态部分不能直接用于测量。这就要求τ至少应大于前部暂态时间。可求得前部暂态阶段结束的时刻为

$t_0=\frac{\ln (1-\mathrm{\η})}{\mathrm{\π}}\frac{Q_0}{f_0}$

式中：η＝ξ/ξ_m-达到的振动幅值相对于稳定振动幅值的百分数。

可以看出，对于不同的η值，可求得不同的时间t₀。

实施稳态信号测量时，要求的稳态波形数视数据采集方法和采集设备而定。但根据IEC标准的推荐，至少需要两周稳态信号，这要求

$\mathrm{\τ}\≥t_0+\frac{2}{f}$

其中：f-测量频率，即脉冲载波频率。

因此，在比较精确的测量中，需要有两个以上达到99％稳态值的波形数时，脉冲宽度必须满足以下条件：

$\mathrm{\τ}\≥1.5\frac{Q_0}{f_0}+\frac{2}{f}$

(2)τ必须足够大，应保证脉冲对声传感器有足够长的作用时间，能使它各部分之间充分相互作用。这实际上是使声传感器空间上达到稳态对τ的要求。为此，τ应满足以下条件：

$\mathrm{\τ}\≥t_0+\frac{2D}{c}$

式中：D-声传感器沿声波传播方向上的最大尺寸；

c-自由场声速。

(3)τ必须足够大，应保证脉冲通过校准系统(由放大器、滤波器等组成)时不变形。正弦脉冲信号是由一定频率范围内的许多单频信号组合成的。因此要使正弦脉冲通过测量系统时不变形，就必须确保脉冲通过时所有频谱都不受损失，即通过系统前后的脉冲信号有同样的频谱图。要使频谱图中的每条谱线全部通过测量系统，τ必须与测量系统的带宽Δf满足如下关系：

$\mathrm{\τ}\≥\frac{6}{\mathrm{\Δf}}$

如果允许脉冲通过时有微小的畸变，仅要求脉冲主带宽内的信号全部通过，则应满足以下关系：

$\mathrm{\τ}\≥\frac{2}{\mathrm{\Δf}}$

(4)τ不能过大，应保证脉冲宽度所对应的有限区域介质中行程小于直达声程与最近反射声程之差，以免来自边界或障碍物的反射声对直达声产生干扰。这要求

$\mathrm{\τ}\≤\frac{R-d}{c}$

式中：R-来回反射声程；

d-直达声程。

(5)τ不能过大，应保证在发射和接收传感器的尺寸较大以致它们之间的声反射不可忽略时，能够避免反射的影响。这要求τ满足：

$\mathrm{\τ}\≤\frac{2d}{c}$

式中：d-两传感器之间的间距。

在常规声学校准中，应根据所用仪器设备、校准区域大小、消声与否和传感器的布置等情况，综合考虑确定T值。在水声测量中对T有两种相反的要求，一方面要求T小些，即重复频率高些，以便易于采集、读数或记录；一方面要求T大些，使边界反射声或混响声在下一脉冲到来之前能完全消失或衰减至允许值。我国国家标准推荐T应满足以下条件：

$T>\frac{2}{3}{T}_{60}$

式中：T₆₀-水池的混响时间，即自脉冲结束至声级衰减60dB的时间。

3、声学校准测量中测试距离的确定

在自由场中进行声传感器校准时，通常需要构成传感器对，其中一个传感器发射声波，另一个传感器(接收器)接收声波。由于必须满足一定的声场要求，这两个传感器之间的距离(也即测试距离)并不是任意的，必须等于或大于所允许的最近距离，此距离有时称作“临近区”。

确定发射传感器的允许最近测量距离的必要性，主要源于发射传感器发送响应定义中所提出的要求，即要求声压是球面发散波声压，其参考距离是距发射传感器声中心1m。如果1m距离处的声波不是球面发散波，则声压必须在满足此要求的更大的距离上测量，然后按声压与距离成反比的规律，推算出1m距离处的声压。

确定接收器的允许最近测量距离的必要性，主要源于接收器的自由场电压灵敏度的定义。这一定义要求输入接收器的自由场声压必须为平面行波声压。但在自由场中是很难得到真正的平面波的。因此实际上总是要求接收器接收面截取球面波波阵面上很小一块波面，用这一小波面近似等效为理想平面波波面。为了使所截取的波面很小，在接收面一定的情况下，球面波的曲率半径必须很大，而这只有在远距离才能实现。

根据声互易原理，一个传感器在发射状态下所要求的最近测量距离与在接收状态下所要求的最近测量距离是相同的。一个普遍适用的测量距离允许法则，即

$d\≥\frac{L^2}{\mathrm{\λ}},$ d≥L

式中：d-测量距离；

L-传感器最大线性尺度。

4、声学校准测量中的干扰信号及排除方法

被测信号以外的其它无用信号称为干扰信号，简称“干扰”。在声学校准测量中，干扰主要来自两个方面。一是声或振动的干扰，直接干扰接收器所测量的声压；二是电或电磁干扰，通过干扰接收器开路电压影响被测声压的准确测量。它们出现的几率往往决定于试验场地的环境和设备的完好程度。它们可能分别出现也可能同时出现，主要包括以下几个方面：

(1)环境噪声和仪器设备噪声。这类噪声与试验场地的环境有关，如附近设备的振动、交通车辆的振动与噪声或气候条件等。它们发出的噪声属于无规噪声，频率、幅度和相位都是不稳定的。对于此类噪声，可以根据这类信号的无规则性来识别，也可以根据客观存在加以判断。如发射系统不发射信号，可在接收系统观察是否存在此类噪声。

(2)有规则的电声信号干扰。这类噪声主要来自50Hz电源基波及其谐波。这是由于周围电网的交变电磁场或实验室稳压电源和仪器的接地不良所以起的。主要是电源基波及其谐波信号，这类干扰信号一般通过静电场和电磁场对测量信号产生干扰。试验区域中其它声学试验发出的声信号和固定设备运行产生的周期性声信号，也可能成为有规的干扰信号。如果试验场地在无线电台附近，则无线电台的发射电磁波对试验也可以造成有规律电信号干扰。这些干扰信号的共同特点是具有稳定的频率，因此比较容易识别。

(3)电串漏干扰。这类干扰往往是由于发射系统与接收系统对地电位不同而引起的电耦合信号。它的频率与试验信号频率相同，大小正比于发射信号的大小，是通过电的途径从发射系统耦合到接收系统的，没有经过声学途径。因此，采用脉冲声信号方法时，电串漏信号与直达声信号可以在时域上分开。

(4)界面反射及收发传感器之间的驻波干扰。在有限区域中声波从声源发出以后，会在界面或其他障碍物上产生反射。反射波与直达波相干涉形成驻波。起伏的驻波场对声学校准测量的结果将会造成较大的误差。由于反射信号属于同频率的干扰信号，识别比较困难，用通常的滤波或频率分析方法无法消除。通常，识别并消除此类干扰的最有效方法是采用脉冲声校准测量技术。

(5)介质不纯净造成的谐振干扰。以水声校准为例，水中包含有气泡时，当校准频率达到气泡的谐振频率时，气泡会强烈振荡起来，气泡的振荡又在相当大的范围内影响到校准声场。球形气泡的谐振频率与其绝对压力的平方根成正比于而与其静止时的半径成反比。由于气泡二次辐射对水中声压的影响主要是在其谐振频率附近，因此校准频率远离气泡谐振频率时就不会受到它的影响。

对于上述声学校准测量中可能遇到的各种干扰，能够排除的应尽可能排除，无法排除的应设法避免。对于不同的干扰，需要用不同的办法加以排除。主要方法有：

(1)采用脉冲声校准技术。这是排除电串漏干扰、反射声干扰和传感器之间反射干扰的最有效的办法。

(2)正确选用校准传感器、正确构造校准系统和正确处理校准连接线。这是减小或排除电源频率及其谐波干扰和电串漏干扰的有效方法。接收系统和输入连线应有良好屏蔽。如电源和发射系统的功率放大器有较强的电磁辐射，接收系统和连接线应远离它们。系统应有良好的接地，并避免多点接地。

(3)选用合适的滤波器。接收系统选用合适类型的滤波器可有效隔离电源频率干扰和周围无规噪声的干扰以及有规振动声源的干扰。

(4)使用具有指向性的传感器。采用具有指向性的传感器作为校准声源或接收器都是常用的和比较有效的减少或排除界面反射声干扰的方法。

(5)正确布置校准声场。根据校准区域的几何形状和校准内容正确布置传感器可使反射声的影响减至最小。例如，校准发射器的发射响应时，若发射器有单向发射指向性，接收器是无指向性的，最佳布置是让发射器靠近反射边界，让接收器远离反射边界，并且让发射器的发射面面向接收器。

(6)敷设消声构件。在校准区域的四壁和上下面敷设消声构件，可在一定频率范围内减小或排除界面的反射声干扰。

(7)净化校准区域中的声介质。以水声校准为例，在换能器下水前彻底清洗它的表面；在下水后让换能器浸泡一定时间，使其各部分的温度达到平衡；合理设计换能器结构和吊装夹具，使它们能容易排出空气；严格控制水质、水中生物和有机物，使其不产生气泡等等。

以上方法的选择使用，应因地制宜，依具体情况而定。有的情况下，需要多种方法同时使用。

综合以上四点，描述了目前常规声学校准最常用的脉冲技术及其具体实施方法。但随着校准频率的降低，声波的波长增大，所需要的脉冲信号脉宽也相应增大，从而造成对于校准区域更大尺寸的要求以便运用常规脉冲法在时域上区分直达声脉冲和反射声脉冲。因此，对于一定尺寸的室内校准区域，随着频率的不断降低，常规脉冲技术的有效性将不断降低直至完全失效，这也造成了常规脉冲法对于自由场声压校准的频率限制。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种可以有效克服反射信号对于发射器辐射出的直达信号的影响，确保校准结果的准确可靠的低频声波自由场声压校准方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：在低频声波自由场声压的校准过程中，由于校准中使用的信号频率低波长较大，而开展校准的区域尺寸有限，实际校准声场中除了包含直达声信号之外还包含各种反射声信号。通过保持发射传感器与接收传感器之间的相对位置，而改变发射传感器与接收传感器在校准区域中的绝对位置，通过空间域特征的变化从而改变不同反射声信号的时域特征，进而实现反射声信号的抵消。具体来说，包括以下步骤：

1)在有限区域中使用校准支架布置发射传感器与接收传感器，确定二者之间的距离，当发射传感器辐射出一定参数的脉冲信号后，待声场稳定，通过接收传感器采集接收到的声压信号；

2)改变校准支架在校准区域中的绝对位置，将校准支架分别有关方向进行移动，移动量必须满足一定要求，而发射传感器与接收传感器仍位于校准支架原位置上，二者之间的相对位置与距离不变，再次通过接收传感器采集接收到的声压信号；

3)将两次采集的信号进行同步叠加，将叠加后的信号进行平均处理，即可得到所需的自由场声压信号。

作为优选，具体包括如下步骤：

1)在有限区域中使用校准测量支架布置发射传感器与接收传感器，确定二者之间的距离为d，当发射传感器辐射出一定参数的脉冲信号后，待声场稳定后，如果仅考虑存在一次反射，则接收传感器接收到的信号可以表示为：

$p=p_0+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i=\frac{p_A}{d}[1+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{dR}}_i}{d_i}{e}^{\mathrm{jk}(d-d_i)}]e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kd})}$

式中：d-直达声程，单位为m；

d_i-不同反射声程，单位为m；

R_i-各反射面的反射系数；

p_A-声源等效到1米处的辐射声压，单位为Pa；

p₀-接收器接收的直达波声压，单位为Pa；

p_i-接收器接收的不同反射面的反射波声压，

单位为Pa；

k-声波波数，单位为m^-1；

2)改变校准支架在校准区域中的绝对位置，将校准支架分别有关方向进行移动，而保持发射传感器与接收传感器之间的相对位置与距离不变仍为d。此时接收器接收的直达波声压仍然为

但六个反射界面的反射由于传感器在校准区域中绝对位置发生了变化，反射声程也同样产生了变化。

3)从而获得此时总的接收信号为：

$p^{\′}=p_0+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^{\′}$

将两次采集的信号进行同步叠加，可以得到：

P＝p+p′

4)当校准支架各个方向的移动量满足一定条件时，两次反射波叠加在直达声信号上的贡献将相互抵消趋向于0，将叠加后的信号进行平均处理，即可得到所需的直达波声信号：

$p_0=\frac{1}{2}P$

作为优选，以上步骤还需满足以下条件：发射传感器与接收传感器之间距离需要满足发射传感器的远场要求；采集信号开始时间的延时不大于发射传感器发射出的声波到达接收传感器的时间，采集信号的总时间不小于采集到完整的直达波和足够反射信号所需的时间；两次采集信号的基本参数设置必须完全一致；校准支架不产生声反射和声散射，或者其影响小至可以忽略不计；发射传感器辐射脉冲信号的参数需满足发射传感器稳态振动、在空间上达到稳态以及声脉冲信号通过校准系统不变形等条件要求；发射传感器和接收传感器均正常稳定工作且发射传感器辐射声信号良好、接收传感器接收到的信号满足声学校准中信噪比要求。

作为优选，校准区域的边界是包括反射界面和敷设消声器边界的任意特性边界。

作为优选，校准区域为矩形六面体，但不限于矩形六面体，可以拓展到任意形状的多面体内的低频声波自由场声压校准。

发明有益的效果是：通过本发明可以在室内有限区域中开展低频声波自由场声压校准测量，方法实施操作简单方便，可以无需考虑边界反射的影响，可以在声波的低频频段有效抑制反射信号对于直达声信号的影响，拓展室内自由场声压校准的频率下限，方法可靠。

附图说明

图1是在矩形六面体的有限空间中直达声和各界面的一次反射途径示意图；

附图标记说明：发射传感器A，接收传感器B，直达声信号传播途径1，来自有限区域上边界的反射声信号传播途径2，来自有限区域下边界的反射声信号传播途径3，来自有限区域左边界的反射声信号传播途径4，来自有限区域右边界的反射声信号传播途径5，来自有限区域后边界的反射声信号传播途径6，来自有限区域前边界的反射声信号传播途径7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：为便于描述有限区域边界对于自由场条件的影响，建立一个能够描述有限区域声介质中声场的模型，如图1所示。以矩形六面体为例，设A点为声发射器，B点为声接收器。如果不考虑有限区域边界的二次声反射影响，则B点处的声接收器在A点处的声发射器辐射出声信号后将先后接收到7个来自不同声程的声信号，分别是：直达声信号，在附图中用数字1表示；来自有限区域上边界的反射声信号，在附图中用数字2表示；来自有限区域下边界的反射声信号，在附图中用数字3表示；来自有限区域左边界的反射声信号，在附图中用数字4表示；来自有限区域右边界的反射声信号，在附图中用数字5表示；来自有限区域后边界的反射声信号，在附图中用数字6表示；来自有限区域前边界的反射声信号，在附图中用数字7表示。

假设声波在矩形六面体介质中传播，在以长L，宽W，深H矩形六面体为例的有限区域中，对发射传感器与接收传感器通过校准支架加以固定，校准支架不产生声反射和声散射，或者其影响小至可以忽略不计。发射传感器与接收传感器以水平中心对称地置于校准区域的左右两侧，二者相互间的距离为d，发射传感器与接收传感器之间距离需要满足发射传感器与接收传感器的远场要求，发射传感器和接收传感器均正常稳定工作且发射传感器辐射声信号良好、接收传感器接收到的信号满足声学校准中信噪比要求，二者距宽度方向一个侧面的距离为W/2，距底面的距离为H/2。

发射传感器产生一定参数的脉冲信号，脉冲信号的参数需要满足相关要求，其中脉冲宽度必须满足声学校准中脉冲信号技术的前3点要求。待声场稳定后，如不考虑6个界面的二次反射，接收传感器在发射传感器发出声信号后将先后接收到7个来自不同声程的声信号，分别是：校准区域中的直达声，声程为d；校准区域面与底反射声，声程为d₂＝d₃＝2[(d/2)²+(H/2)²]^1/2；校准区域两个端面反射声，声程为d₄＝d₅＝L；校准区域两个侧面的反射声，声程为d₆＝d₇＝2[(d/2)²+(W/2)²]^1/2，采集信号时，采集信号开始时间的延时不大于发射传感器发射出的声波到达接收传感器的时间，采集信号的总时间不小于采集到完整的直达波和足够反射信号所需的时间，待声场稳定后，如果仅考虑一次反射声信号的影响，则接收器B处采集获得的声压信号应是这7个声信号之和，即：

$p=p_0+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i=\frac{p_A}{d}[1+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{dR}}_i}{d_i}{e}^{\mathrm{jk}(d-d_i)}]e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kd})}$

式中：d-直达声程，单位为m；

d_i-不同反射声程，单位为m；

R_i-各反射面的反射系数；

p_A-声源等效到1米处的辐射声压，单位为Pa；

p₀-接收器接收的直达波声压，

单位为Pa；

p_i-接收器接收的不同反射面的反射波声压，

单位为Pa；

k-声波波数，单位为m^-1；

改变校准支架在校准区域中的绝对位置，将校准支架向上(或者向下)移动Δh，向前侧面(或后侧面)移动Δw，向左端面(或右端面)移动Δl，而保持发射传感器与接收传感器之间的相对位置与距离不变仍为d，其中，3个方向的移动量需要满足下列条件：

$\sqrt{{\left(\frac{H}{2}\right)}^2+{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}-\sqrt{{(\frac{H}{2}-\mathrm{\Δh})}^2+{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}=\frac{\mathrm{\λ}}{4}$

$\sqrt{{\left(\frac{W}{2}\right)}^2+{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}-\sqrt{{(\frac{W}{2}-\mathrm{\Δw})}^2+{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}=\frac{\mathrm{\λ}}{4}$

$\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{\λ}}{4}$

式中λ为频率f的声波波长：

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}$

此时接收器接收的直达波声压仍然为

但六个反射界面的反射由于传感器在校准区域中绝对位置发生了变化，反射声程也同样产生了变化，以面反射为例，面反射声信号为：

$p_2^{\′}=\frac{p_A{R}_2}{d_2-\frac{\mathrm{\λ}}{2}}{e}^{\mathrm{jk}(\frac{\mathrm{\λ}}{2}-d_2)}{e}^{\mathrm{j\ωt}}$

同理可以获得其余5个反射面在此时的反射声信号。进而在接收器处采集获得改变校准支架在校准区域中位置后的总接收信号为：

$p^{\′}=p_0+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^{\′}$

两次采集信号的基本参数设置必须完全一致。由于每一路反射信号声程均发生了半波长的变化，而传播距离仅仅发生了半波长的变化可以忽略信号幅度的变化，因此将两次采集的信号进行同步叠加，两次反射波叠加在直达声信号上的贡献将相互抵消趋向于0，可以得到：

P＝p+p′

最后，将叠加后的信号进行平均处理，即可得到所需的直达波声信号：

$p_0=\frac{1}{2}P$

需要特别说明的是，本实施例中校准区域为矩形六面体，但本发明不限于矩形六面体，可以拓展到任意形状的多面体内的低频声波自由场声压校准，其中校准区域的边界是包括反射界面和敷设消声器边界的任意特性边界。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种低频声波自由场声压校准方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在有限区域中使用校准支架布置发射传感器与接收传感器，确定二者之间的距离，当发射传感器辐射出一定参数的脉冲信号后，待声场稳定，通过接收传感器采集接收到的声压信号；

2)改变校准支架在校准区域中的绝对位置，将校准支架分别有关方向进行移动，移动量必须满足一定要求，而发射传感器与接收传感器仍位于校准支架原位置上，二者之间的相对位置与距离不变，再次通过接收传感器采集接收到的声压信号；

3)将两次采集的信号进行同步叠加，将叠加后的信号进行平均处理，即可得到所需的自由场声压信号。

2.根据权利要求1所述的低频声波自由场声压校准方法，具体包括如下步骤：

1)在以长L，宽W，深H矩形六面体为例的有限区域中，对发射传感器与接收传感器通过校准支架加以固定，发射传感器与接收传感器以水平中心对称地置于校准区域的左右两侧，二者相互间的距离为d，距宽度方向一个侧面的距离为W/2，距底面的距离为H/2；

2)发射传感器产生一定参数的脉冲信号，接收传感器在发射传感器发出声信号后将先后接收到7个来自不同声程的声信号，分别是：校准区域中的直达声，声程为d；校准区域面与底反射声，声程为d₂＝d₃＝2[(d/2)²+(H/2)²]^1/2；校准区域两个端面反射声，声程为d₄＝d₅＝L；校准区域两个侧面的反射声，声程为d₆＝d₇＝2[(d/2)²+(W/)²]^1/2，待声场稳定后，如果仅考虑一次反射声信号的影响，则接收器处采集获得的声压信号应是这7个声信号之和，即：

$p=p_0+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i=\frac{p_A}{d}[1+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{dR}}_i}{d_i}{e}^{\mathrm{jk}(d-d_i)}]e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kd})}$

式中：d-直达声程，单位为m；

d_i-不同反射声程，单位为m；

R_i-各反射面的反射系数；

p_A-声源等效到1米处的辐射声压，单位为Pa；

p₀-接收器接收的直达波声压，

单位为Pa；

p_i-接收器接收的不同反射面的反射波声压，

单位为Pa；

k-声波波数，单位为m^-1；

3)改变校准支架在校准区域中的绝对位置，将校准支架向上或者向下移动Δh，向前侧面或后侧面移动Δw，向左端面或右端面移动Δl，而保持发射传感器与接收传感器之间的相对位置与距离不变仍为d，其中，3个方向的移动量需要满足下列条件：

$\sqrt{{\left(\frac{H}{2}\right)}^2+{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}-\sqrt{{(\frac{H}{2}-\mathrm{\Δh})}^2+{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}=\frac{\mathrm{\λ}}{4}$

$\sqrt{{\left(\frac{W}{2}\right)}^2+{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}-\sqrt{{(\frac{W}{2}-\mathrm{\Δw})}^2+{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}=\frac{\mathrm{\λ}}{4}$

$\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{\λ}}{4}$

式中λ为频率f的声波波长：

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}$

此时接收器接收的直达波声压仍然为

通过改变传感器在校准区域中绝对位置，改变反射声程，对于面反射，面反射声信号为：

$p_2^{\′}=\frac{p_A{R}_2}{d_2-\frac{\mathrm{\λ}}{2}}{e}^{\mathrm{jk}(\frac{\mathrm{\λ}}{2}-d_2)}{e}^{\mathrm{j\ωt}}$

同理可以获得其余5个反射面在此时的反射声信号；

4)进而在接收器处采集获得改变校准支架在校准区域中位置后的总接收信号为：

$p^{\′}=p_0+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^{\′}$

将两次采集的信号进行同步叠加，两次反射波叠加在直达声信号上的贡献将相互抵消趋向于0，可以得到：

P＝p+p′

5)最后，将叠加后的信号进行平均处理，即可得到所需的直达波声信号：

$p_0=\frac{1}{2}P.$

3.根据权利要求1所述的低频声波自由场声压校准方法，其特征是：所述校准区域为矩形六面体。

4.根据权利要求1或2所述的低频声波自由场声压校准方法，其特征是：所述校准区域的边界是包括反射界面和敷设消声器边界的任意特性边界。

5.根据权利要求1或2所述的低频声波自由场声压校准方法，其特征是：所述校准支架不产生声反射和声散射，或者其影响小至可以忽略不计。

6.根据权利要求1或2所述的低频声波自由场声压校准方法，其特征是：所述发射传感器与接收传感器之间的距离应该满足发射传感器和接收传感器的远场条件。

7.根据权利要求1或2所述的低频声波自由场声压校准方法，其特征是：所述发射传感器辐射脉冲信号的参数需满足发射传感器稳态振动、在空间上达到稳态以及声脉冲信号通过校准系统不变形的条件要求。

8.根据权利要求1或2所述的低频声波自由场声压校准方法，其特征是：所述声场稳定是指发射传感器和接收传感器均正常稳定工作且发射传感器辐射声信号良好、接收传感器接收到的信号满足声学校准中信噪比要求。

9.根据权利要求1或2所述的低频声波自由场声压校准方法，其特征是：所述采集信号开始时间的延时不大于发射传感器发射出的声波到达接收传感器的时间，所述采集信号的总时间不小于采集到完整的直达波和足够反射信号所需的时间。

10.根据权利要求1或2所述的低频声波自由场声压校准方法，其特征是：所述两次采集信号的基本参数设置必须完全一致。

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