CN102741669B - 用于确定声系数和声功率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于确定空间中的选定位置处的吸声系数和/或传声系数的方法，该空间中由于发声源的操作而具有一定声场。

Description

用于确定声系数和声功率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定空间中的选定位置处的吸声系数和/或传声系数的方法和装置，由于发生源的操作和/或该发生源所发射的声功率的原因而在该空间中具有一定声场。

背景技术

用于确定吸声（acoustic）材料的吸声系数的测量方法通常是已知的和常见的。将吸声系数定义为，在空间中的确定位置处的确定表面所吸收的入射声强/功率的分数。然而，其可仅通过测量有功声强（active soundintensity）/功率（即，从入射声强/功率减去反射声强/功率）和入射声强/功率来测量。

这种测量在实践中是有问题的，并且无法始终以简单且快速的方法执行。这里的本质是，虽然有功声强/功率是可测量的，但是迄今为止仅可能在几个确定的已知简单声场中确定入射声强/功率，例如，平波、球面波或扩散声场。这意味着，所获得的测量结果仅可应用于这些声场。因此，对于随机声场的实际条件的结果来说，其并不是在所有条件下都是具有代表性的。

用于确定声障（例如面板）的传声系数的测量方法通常是大家不太知道的。将传声系数定义为，由空间中的确定表面在确定位置处传输的入射声强/功率的分数。还可仅通过测量有功声强/功率和入射声强/功率，来测量传声系数。这种测量在实践中是有问题的，并且无法始终以简单且快速的方法执行。同样，这里的本质是，迄今为止仅可能在几个确定的已知简单声场中确定入射声强/功率。例如，通常使用这样的声环境，在该声环境中，面板（必须确定其传输率）容纳在窗口中，该窗口在一声学硬（acoustically hard）回声空间与一非回声空间（通常分别叫做混响室和消声室）之间形成耦合。这种仅可在实验室中执行的测量是困难且昂贵的，因为必须有非常特殊的测量设备。另外，对于用这种测量面板实现的结果来说，在与基本上扩散的声场相对应的实际条件中，所获得的测量结果并不是在所有条件下都是具有代表性的。

用于确定从声源发射的声功率的测量方法通常是已知的和常见的。然而，迄今为止仅可能在非回声空间中确定所发射的声功率，因为，在回声空间的情况中，由于该空间中的声反射而会低估以常用方法确定的发射功率。此外，可以说，以这种方法确定的发射功率不是实际上存在来自环境的反射的情况中的声源的功率。因此，所获得的结果仅可应用于非回声情况，并且，对于实际条件中的结果来说，其并不是在所有条件下都是具有代表性的。因此，仅可在实验室环境中执行用于确定声源的发射功率的常用方法。

发明内容

鉴于以上情况，本发明的一个目的是，提供一种非常简单的测量方法和基于该方法的装置，该方法和装置没有所述缺点，便宜且可靠，可在现实中（甚至实际的条件下）应用，并由此可应用于随机声场，可以以具有与通常已知的常用便携声压计或声强计大致相同的物理尺寸和重量的容易便携的设备的形式实现。

根据以上内容，本发明提供一种用于确定空间中的选定位置处的吸声系数和/或传声系数的方法，由于声源的操作和/或该声源所发射的声功率的原因，在该空间中具有一定声场，该方法包括以下步骤：

(a)测量该空间中的选定位置处的声压p(t)和粒子速度v(t)；

(b)计算p(t),v(t)的傅里叶变换P(f),V(f)；

(c)在P(f)和V(f)的基础上计算在用向量n（其是相关表面的法向量）表示的方向上的时间平均有功强度Iac(f)以及在用向量n表示的方向上的时间平均总强度Itot(f)；

(d)确定在方向n上的时间平均入射声强：

Iin(f)=1/2(Iac(f)+Itot(f))；和以下步骤：

(e)确定在方向n上的时间平均吸声系数：α=Iac(f)/Iin(f)；和/或以下步骤：

(f)对于屏障，确定在方向n上的传声系数θ=Iac(f)/Iin(f)，其中，可忽略机械吸收；和/或以下步骤：

(q)在声源周围限定包络面；以及

(r)通过在包络面上求Iin(f)的积分来确定所发射的声功率Pin(f)。

具体实施方式

根据以上内容，本发明提供一种用于确定空间中的选定位置处的吸声系数和/或传声系数的方法，由于声源的操作和/或该声源所发射的声功率的原因，在该空间中具有一定声场，该方法包括以下步骤：

(a)测量该空间中的选定位置处的声压p(t)和粒子速度v(t)；

(b)计算p(t),v(t)的傅里叶变换P(f),V(f)；

(c)在P(f)和V(f)的基础上计算在用向量n（其是相关表面的法向量）表示的方向上的时间平均有功强度Iac(f)以及在用向量n表示的方向上的时间平均总强度Itot(f)；

(d)确定在方向n上的时间平均入射声强：

Iin(f)=1/2(Iac(f)+Itot(f))；和以下步骤：

(e)确定在方向n上的时间平均吸声系数：α=Iac(f)/Iin(f)；和/或以下步骤：

(f)对于屏障，确定在方向n上的传声系数θ=Iac(f)/Iin(f)，其中，可忽略机械吸收；和/或以下步骤：

(q)在声源周围限定包络面；以及

(r)通过在包络面上求Iin(f)的积分来确定所发射的声功率Pin(f)。

Itot(f)，即总强度，是迄今为止从未被确定的量，然而，在随机声场中该量是可测量的。

有功强度或净强度是入射波的强度和反射波的强度之间的差：

Iac(f)=Iin(f)-Irefl(f)。

总强度是入射波的强度和反射波的强度之和：

Itot(f)=Iin(f)+Irefl(f)。

这使得可根据(d)(e)和(f)确定吸声系数/传声系数，并根据(q)和(r)确定所发射的声功率。

用粗体印刷的符号表示向量，并用正常印刷的符号表示标量。

其中：

n=指向必须确定吸声系数或传声系数的方向的方向向量；

t=时间；

f=频率。

根据以上内容，本发明还提供一种特定类型的方法，该方法包括以下步骤：

(g)在以下关系的基础上执行步骤(c)：

$\mathrm{Iac}\left(f\right)=1/4(P\underset{.}{\overset{\‾}{V}}n+\stackrel{\‾}{P}\underset{.}{V}n)$

和

$\mathrm{Itot}\left(f\right)=1/4(\mathrm{\Δc}\underset{.}{V}n\underset{.}{\overset{\‾}{V}}n+P\stackrel{\‾}{P}/\left(\mathrm{\Δc}\right))$

其中：

的共轭复数；

的共轭复数；

Δ=空气的密度；

c=相位速度或“声速”。

一种替代的特殊类型方法包括以下步骤：

h)在p(f)和v(f)的基础上计算在用向量n表示的方向上的时间平均无功强度（reactive intensity），即 $i.e.\mathrm{Ire}\left(f\right)=1/4i(\stackrel{\‾}{P}\underset{.}{V}n-P\underset{.}{\overset{\‾}{V}}n);$

以及

(i)在以下关系的基础上执行步骤(c)：

$\mathrm{Iac}\left(f\right)=1/4(P\underset{.}{\overset{\‾}{V}}n+\stackrel{\‾}{P}\underset{.}{V}n)$

和

Itot(f)＝(2/B)arcsin(Iac(f)/√(IaC(f)²+Ire(f)²))Iac(f)+......+(2／B)|Ire(t)|

其中， $\mathrm{Ire}\left(f\right)=1/4I(\stackrel{\‾}{P}\underset{.}{V}n-P\underset{.}{\overset{\‾}{V}}n)$ 是在步骤(h)中确定的强度的无功部分。

还可用所谓的交叉谱（cross-spectra）和自乘谱（auto-spectra）确定有功声强和总声强。

当面板的机械吸收不可忽略时，可通过在面板的两侧上执行测量并由此确定面板的机械吸收，来扩展此方法。

可使用所谓的强度计（intensitometer）。强度计可包括两个声压传声器（pressure microphone），例如，Brüel&Kjaer声强探头。还可与声压传声器一起使用粒子速度计。

根据以下方面，本发明提供一种包括以下步骤的方法：

(j)测量空间中表面附近的声压p(t)和空间中许多选定位置处的粒子速度v(t)；

(k)计算p(t),v(t)的傅里叶变换P(f),V(f)；

(l)在P(f)和V(f)的基础上计算时间平均有功功率Pac(f)和时间平均入射功率Pin(f)，Pac(f)通过如根据(g)或(I)确定的在相关表面上求Iac(f)的积分来获得，其中，n是相关表面上的法向量，Pin(f)通过如根据(d)确定的在相关表面上求Iin(f)的积分来获得，其中，n是相关表面上的法向量；

(n)确定空间平均吸声系数α=Pac(f)/Pin(f)；和/或

(o)对于屏障，确定空间平均传声系数θ=Pac(f)/Pin(f)，其中，可忽略机械吸收；

(s)通过使发射的声功率与入射功率相等，来确定发射的声功率。

可替换地，所述方法可包括以下步骤：

(p)通过以如下方式执行步骤(a)或步骤(j)：用两个压力传感器测量粒子速度v(t)，这样设置所述压力传感器，使得其共同形成粒子速度传感器，并用这两个压力传感器中的一个或两个测量声压p(t)，在后一种情况中，确定两个声压的平均值。

用这种变量获得基本上相同的结果。然而，此方法的优点是，压力传感器（pressure capsule）比粒子速度传感器更简单且更便宜。

本发明进一步涉及一种用于确定由声源发射的吸声系数和/或传声系数和/或声功率的装置，该装置执行上述方法。

根据本发明的此装置包括：

-用于测量声压p(t)的声压测量装置；

-用于测量粒子速度v(t)的粒子速度测量装置，将粒子速度测量装置设置在声压测量装置的紧邻附近；

-用于计算p(t),v(t)的傅里叶变换P(f),V(f)的傅里叶变换装置；

-用于在p(t)和v(t)的基础上计算有功强度Iac(f)和时间平均总强度Itot(f)的第一计算装置；以及

-用于确定入射强度/入射功率的第二计算装置，后者等于发射的声功率和/或时间平均功率Pac(f)；以及

-用于确定吸声系数α=Iac(f)/Iin(f)和/或空间平均吸声系数α=Pac(f)/Pin(f)和/或传声系数θ=Iac(f)/Iin(f)和/或空间平均传声系数θ=Pac(f)/Pin(f)的第三计算装置。

有利地，可这样实现此装置，使得粒子速度测量装置包括两个压力传感器且声压测量装置包括这两个压力传感器中的至少一个。

除了常用的用于测量吸声或传声的测量方法以外，根据本发明，并非必须使用具有特定性能的声源。在执行测量的空间中存在声场就足够了，其中，声强足以使得能够执行根据本发明的重要测量。

例如，为了测量会议厅中的墙壁的吸声系数，扬声器（可选地，由播音系统辅助）可在测量过程中用作声源。然后，所执行的测量将涉及人的声音的相关频域中的吸声系数，例如，大约200Hz至3kHz。

对于标准化声源上的特殊应用来说，可考虑以用于测量吸声或传声的测量方法为基础。参考会议厅的测量的上述讨论，例如，可使用可在相关空间中产生声场的类似噪声的声源，其光谱组成平均起来至少大约相当于实际应用的声源的光谱组成，例如，上述扬声器，其覆盖大约200Hz至3kHz的频率范围。

将理解，傅里叶变换装置可以基于本身通常已知的方式，且以通过计算机或微处理器的数字数学运算为基础，例如，快速傅里叶变换或FFT。在上文中详细说明的进一步操作和计算也可由处理器以数字方式执行。

可对最终计算吸声系数α或传声系数θ的第三计算装置增加信号输出，以进行进一步处理和/或显示，该信号输出产生代表吸声系数的信号。例如，可应用显示单元，例如仪表或LCD显示器等，可在其上快速读取α或θ的值。

对于根据本发明的吸声或传声的测量来说，本质上必须认识到，并非必须应用具有已知特性的声源。然而，仍然可能的是，由此，测量结果对于确定的应用可以是特定的。

目前，在特别体现的声环境中确定声源（例如振动物体、产品、机器等）的声功率。相关测量空间必须符合非常明确的条件，具体地是，无回声的、半回声的或回声的。在现有技术中不可能确定在现场情况中发射的声功率。这是以下事实的结果：迄今为止尚不可能确定发射源附近的物体的反射效果。

如上所述，根据本发明，可以计算有功强度Iac、总强度Itot、空间中的随机方向上的随机位置处的反射强度Irefl中的入射强度Iin。现在，通过测量发射源周围的包络面中的数量足够多的位置处的有功强度和总强度，还可测量这些位置处的入射强度。如从声源中看到的，入射强度等于发射强度。这意味着，可通过在包络面上求入射强度的积分来确定由声源所发射的功率。因此，可确定现场情况中的发射功率。

附图示出了此方法。声源2发出声音。在声源2周围限定了虚拟包络面1，例如，球体。用箭头示意性地表示上述强度。这里应指出，将两个反射壁3、4布置在所示随机结构中。相对于壁4限定Iin和相关的Irefl。将显而易见的是，在反射物体（在此情况中是反射壁3和4）的附近，Iac（是Iin-Irefl）基本上等于0。在距离空间中的反射物体一定距离处，Iac较大而Irefl较小。现在，可通过在包络面2上求Iin的积分，来确定现场情况中由源1发射的功率。

Claims (17)

1.一种用于确定空间中的选定位置处的吸声系数的方法，在所述空间中由于发声源的操作和/或由发声源所发射的声功率而具有一定声场，所述方法包括以下步骤：

(a)测量在所述空间中的选定位置处的声压p(t)和粒子速度v(t)；

(b)计算p(t)、v(t)的傅里叶变换P(f)、V(f)；

(c)在P(f)和V(f)的基础上计算在用向量n表示的方向上的时间平均有功强度Iac(f)以及在用向量n表示的方向上的时间平均总强度Itot(f)，所述向量n是相关表面上的法向量；

(d)确定在所述方向n上的时间平均入射声强：

Iin(f)＝1/2(Iac(f)+Itot(f))；和以下步骤：

(e)确定在所述方向n上的时间平均吸声系数：α＝Iac(f)/Iin(f)。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

(q)在所述发声源周围限定包络面；以及

(r)通过在所述包络面上求Iin(f)的积分来确定所发射的声功率。

3.根据权利要求2所述的方法，包括以下步骤：

(g)在以下关系的基础上执行步骤(c)：

$\mathrm{Iac}\left(f\right)=1/4\left(P\stackrel{\‾}{V}\·n+\stackrel{\‾}{P}V\·n\right)$

和

$\mathrm{Itot}\left(f\right)=1/4(\mathrm{\ΔcV}\·n\stackrel{\‾}{V}\·n+P\stackrel{\‾}{P}/\left(\mathrm{\Δc}\right))$

其中：

的共轭复数；

的共轭复数；

Δ＝空气的密度；

c＝相位速度或“声速”。

4.根据权利要求3所述的方法，包括以下步骤：

(j)测量所述空间中的所述表面附近的声压p(t)和所述空间中多个选定位置处的粒子速度v(t)；

(k)计算p(t)、v(t)的傅里叶变换P(f)、V(f)；

(l)在P(f)和V(f)的基础上计算时间平均有功功率Pac(f)和时间平均入射功率Pin(f)，Pac(f)通过根据(g)确定的在相关表面上求Iac(f)的积分来获得，其中，n是相关表面上的法向量，Pin(f)通过根据(d)确定的在相关表面上求Iin(f)的积分来获得，其中，n是相关表面上的法向量；

(n)确定空间平均吸声系数α＝Pac(f)/Pin(f)；和/或

(o)对于屏障，确定空间平均传声系数θ＝Pac(f)/Pin(f)，其中，能够忽略机械吸收；

(s)通过使发射的声功率与入射功率相等，来确定发射的声功率。

5.根据前述权利要求4所述的方法，包括以下步骤：

(p)通过如下方式执行步骤(a)或步骤(j)：用两个压力传感器测量粒子速度v(t)，所述压力传感器被设置成使得其共同形成粒子速度传感器，并用所述两个压力传感器中的一个或两个来测量声压p(t)，在用所述两个压力传感器中的两个来测量声压p(t)的情况中，确定两个声压的平均值。

6.一种用于确定空间中的选定位置处的传声系数的方法，在所述空间中由于发声源的操作和/或由发声源所发射的声功率而具有一定声场，所述方法包括以下步骤：

(a)测量在所述空间中的选定位置处的声压p(t)和粒子速度v(t)；

(b)计算p(t)、v(t)的傅里叶变换P(f)、V(f)；

(c)在P(f)和V(f)的基础上计算在用向量n表示的方向上的时间平均有功强度Iac(f)以及在用向量n表示的方向上的时间平均总强度Itot(f)，所述向量n是相关表面上的法向量；

(d)确定在所述方向n上的时间平均入射声强：

Iin(f)＝1/2(Iac(f)+Itot(f))；和以下步骤：

(f)对于屏障，确定在所述方向n上的传声系数θ＝Iac(f)/Iin(f)，其中，能够忽略机械吸收。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：

(q)在所述发声源周围限定包络面；以及

(r)通过在所述包络面上求Iin(f)的积分来确定所发射的声功率。

8.根据权利要求7所述的方法，包括以下步骤：

(g)在以下关系的基础上执行步骤(c)：

$\mathrm{Iac}\left(f\right)=1/4\left(P\stackrel{\‾}{V}\·n+\stackrel{\‾}{P}V\·n\right)$

和

$\mathrm{Itot}\left(f\right)=1/4(\mathrm{\ΔcV}\·n\stackrel{\‾}{V}\·n+P\stackrel{\‾}{P}/\left(\mathrm{\Δc}\right))$

其中：

的共轭复数；

的共轭复数；

Δ＝空气的密度；

c＝相位速度或“声速”。

9.根据权利要求8所述的方法，包括以下步骤：

(j)测量所述空间中的所述表面附近的声压p(t)和所述空间中多个选定位置处的粒子速度v(t)；

(k)计算p(t)、v(t)的傅里叶变换P(f)、V(f)；

(l)在P(f)和V(f)的基础上计算时间平均有功功率Pac(f)和时间平均入射功率Pin(f)，Pac(f)通过根据(g)确定的在相关表面上求Iac(f)的积分来获得，其中，n是相关表面上的法向量，Pin(f)通过根据(d)确定的在相关表面上求Iin(f)的积分来获得，其中，n是相关表面上的法向量；

(n)确定空间平均吸声系数α＝Pac(f)/Pin(f)；和/或

(o)对于屏障，确定空间平均传声系数θ＝Pac(f)/Pin(f)，其中，能够忽略机械吸收；

(s)通过使发射的声功率与入射功率相等，来确定发射的声功率。

10.根据前述权利要求9所述的方法，包括以下步骤：

(p)通过如下方式执行步骤(a)或步骤(j)：用两个压力传感器测量粒子速度v(t)，所述压力传感器被设置成使得其共同形成粒子速度传感器，并用所述两个压力传感器中的一个或两个来测量声压p(t)，在用所述两个压力传感器中的两个来测量声压p(t)的情况中，确定两个声压的平均值。

11.一种用于确定空间中的选定位置处的吸声系数和传声系数的方法，在所述空间中由于发声源的操作和/或由发声源所发射的声功率而具有一定声场，所述方法包括以下步骤：

(a)测量在所述空间中的选定位置处的声压p(t)和粒子速度v(t)；

(b)计算p(t)、v(t)的傅里叶变换P(f)、V(f)；

(c)在P(f)和V(f)的基础上计算在用向量n表示的方向上的时间平均有功强度Iac(f)以及在用向量n表示的方向上的时间平均总强度Itot(f)，所述向量n是相关表面上的法向量；

(d)确定在所述方向n上的时间平均入射声强：

Iin(f)＝1/2(Iac(f)+Itot(f))；和以下步骤：

(e)确定在所述方向n上的时间平均吸声系数：α＝Iac(f)/Iin(f)；和以下步骤：

(f)对于屏障，确定在所述方向n上的传声系数θ＝Iac(f)/Iin(f)，其中，能够忽略机械吸收。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

(q)在所述发声源周围限定包络面；以及

(r)通过在所述包络面上求Iin(f)的积分来确定所发射的声功率。

13.根据权利要求12所述的方法，包括以下步骤：

(g)在以下关系的基础上执行步骤(c)：

$\mathrm{Iac}\left(f\right)=1/4\left(P\stackrel{\‾}{V}\·n+\stackrel{\‾}{P}V\·n\right)$

和

$\mathrm{Itot}\left(f\right)=1/4(\mathrm{\ΔcV}\·n\stackrel{\‾}{V}\·n+P\stackrel{\‾}{P}/\left(\mathrm{\Δc}\right))$

其中：

的共轭复数；

的共轭复数；

Δ＝空气的密度；

c＝相位速度或“声速”。

14.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：

(j)测量所述空间中的所述表面附近的声压p(t)和所述空间中多个选定位置处的粒子速度v(t)；

(k)计算p(t)、v(t)的傅里叶变换P(f)、V(f)；

(l)在P(f)和V(f)的基础上计算时间平均有功功率Pac(f)和时间平均入射功率Pin(f)，Pac(f)通过根据(g)确定的在相关表面上求Iac(f)的积分来获得，其中，n是相关表面上的法向量，Pin(f)通过根据(d)确定的在相关表面上求Iin(f)的积分来获得，其中，n是相关表面上的法向量；

(n)确定空间平均吸声系数α＝Pac(f)/Pin(f)；和/或

(o)对于屏障，确定空间平均传声系数θ＝Pac(f)/Pin(f)，其中，能够忽略机械吸收；

(s)通过使发射的声功率与入射功率相等，来确定发射的声功率。

15.根据前述权利要求14所述的方法，包括以下步骤：

(p)通过如下方式执行步骤(a)或步骤(j)：用两个压力传感器测量粒子速度v(t)，所述压力传感器被设置成使得其共同形成粒子速度传感器，并用所述两个压力传感器中的一个或两个来测量声压p(t)，在用所述两个压力传感器中的两个来测量声压的情况中，确定两个声压的平均值。

16.一种利用根据前述权利要求中任一项所述的方法确定由声源发射的吸声系数和/或传声系数和/或声功率的装置，所述装置包括：

-声压测量装置，用于测量声压p(t)；

-粒子速度测量装置，用于测量粒子速度v(t)，所述粒子速度测量装置设置在所述声压测量装置的紧邻附近；

-傅里叶变换装置，用于计算p(t)、v(t)的傅里叶变换P(f)、V(f)；

-第一计算装置，用于在p(t)和v(t)的基础上计算时间平均有功强度Iac(f)和时间平均总强度Itot(f)；以及

-第二计算装置，用于确定入射强度或入射功率，入射强度或入射功率等于发射的声功率及时间平均有功功率Pac(f)；以及

-第三计算装置，用于确定吸声系数α＝Iac(f)/Iin(f)和/或空间平均吸声系数α＝Pac(f)/Pin(f)和/或传声系数θ＝Iac(f)/Iin(f)和/或空间平均传声系数θ＝Pac(f)/Pin(f)。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述粒子速度测量装置包括两个压力传感器，并且，所述声压测量装置包括所述两个压力传感器中的至少一个。