CN104501939A - 一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混响时间的测量方法，尤其是涉及一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法。本发明包括：将任意一个无指向性声源在消声水池内利用一只校准过的水听器测量出无指向性声源的声源级，记录加载到声源上的频率和电压幅值；将无指向性声源和水听器放置于待测非消声水池中，以记录下的频率和电压幅值重新加载到无指向性声源上，同时缓慢移动声源和水听器，并由水听器测量得到空间平均声压级；利用无指向性声源在自由场中的声源级和声源在待测非消声水池测量到的空间平均声压级，反演计算得到待测非消声水池的混响时间。本方法测试效率高且结果准确；不需根据混响时间的定义测量平均声能密度衰减的时间。

Description

一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法

技术领域

本发明涉及混响时间的测量方法，尤其是涉及一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法。

背景技术

混响时间是非消声水池的重要属性，是利用非消声水池在满足混响条件下进行声学测量的重要计算参数。利用混响时间在非消声水池内进行声学测量的主要应用场合有：材料的吸收系数测量、泥沙的吸收特性测量以及声源的辐射声功率测量等。在非消声水池中测量混响时间的传统方法，都是基于空气中混响室测量混响时间的规范进行的，一般通过具有混响时间测量模块的采集器测量实现，并且只能获得宽带频率范围内统计平均的结果。

空气中的测量规范ISO 3382-1997给出了脉冲响应法和稳态噪声中断法测量空气混响室混响时间的方法，但由于非消声水池池壁的高吸收特性、水的特性阻抗巨大以及边界对声场的干涉影响等因素，使得非消声水池的混响时间测量困难，要通过多位置发射、多位置接收统计平均获得。对于非消声水池中空间平均声压的测量方法，中国学者李琪最先利用空间移动平均技术克服了边界对声场的干涉影响(李琪.水筒噪声测量方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院，1990)。此后关于非消声水池的混响时间的测量仅局限于声能密度衰减时间的近似测量以及测量设备的研制，并没有将混响时间的测量同非消声水池中均方声压的测量联系起来。目前尚未见到在非消声水池中通过测量已知声源的空间平均声压级反演计算混响时间的报道，也尚未见得测量窄带频率范围内混响时间的具体报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法。

本发明的目的是这样实现的：一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法：

(1)将任意一个无指向性声源在消声水池内利用一只校准过的水听器测量出无指向性声源的声源级，记录加载到声源上的频率和电压幅值；

(2)将无指向性声源和水听器放置于待测非消声水池中，以记录下的频率和电压幅值重新加载到无指向性声源上，同时缓慢移动声源和水听器，并由水听器测量得到空间平均声压级；

(3)利用无指向性声源在自由场中的声源级和声源在待测非消声水池测量到的空间平均声压级，反演计算得到待测非消声水池的混响时间。

无指向性声源声源级的测量指在消声水池中利用声压呈球面波衰减规律的远场条件，测量无指向性声源在以宽带随机白噪声固定幅值输入时的远场均方声压，进而得到无指向性声源的自由场窄带声源级：

$\mathrm{SL}=20\log (\frac{p_{\mathrm{test}}}{p_{\mathrm{ref}}}\·r),$

其中，SL为声源在自由场的声源级，单位dB；p_test为水听器距离声源声中心距离r时测得的声压幅值；p_ref为参考声压，取p_ref＝1μPa；同时记录加载到无指向性声源上的频率和电压幅值，以及测试系统的发射、接收参数。

水听器测量得到空间平均声压级是指以记录的测试系统的发射、接收参数作为输入条件，使无指向性声源在待测非消声水池中被加载的驱动频率和电压幅值与无指向性声源在消声水池中测量声源级时相同；在整个待测非消声水池的空间范围内同时缓慢随机移动声源和水听器，以测量声源在待测非消声水池中的空间平均声压级:

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SPL}}=20\log \left(\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_{\mathrm{test}}}{p_{\mathrm{ref}}}\right),$

其中，为声源在待测非消声水池中的空间平均声压级，单位dB；为为水听器在待测非消声水池中测量到的空间平均声压幅值；p_ref为参考声压，取p_ref＝1μPa。

混响时间

$T_{60}=\frac{55.2V}{S\·c}\·{\left[\ln \right(\frac{16\mathrm{\π}\·{10}^{\frac{\mathrm{SL}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SPL}}}{10}}}{S})+1]}^{-1}$

其中T₆₀为待测的混响时间，V为非消声水池的体积，c为水中声速，S为非消声水池池壁含池底的面积，SL为声源在自由场的声源级，为声源在待测非消声水池中的空间平均声压级，T₆₀对应的频率，由SL和的测试频率决定。

本发明与现有技术相比，其显著优点是在于(1)测量方法简单、易操作，测试效率高且结果准确；(2)不需根据混响时间的定义测量平均声能密度衰减的时间；(3)可测量得到窄带频率范围内的混响时间。

附图说明

图1声源在自由场中的声源级曲线；

图2铁箱水槽空间平均声压级测试示意图；

图3空间平均声压级测试A-A剖面图；

图4空间平均声压级测试曲线；

图5混响时间窄带测量曲线；

图6混响时间模块测量与测量反演方法的1/3倍频程测量结果比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明所述的方法包括以下步骤：

(1)在消声水池(或开阔水域)中测量无指向性声源的声源级。将待测无指向性声源与一只校准过的水听器放置于消声水池的中部，二者的声中心在同一深度且水平距离满足远场测试条件。在消声水池的下限消声频率以上的频率范围，以宽带随机白噪声作为无指向性声源的激励输入，调节信号输入幅值，使满足测量的信噪比要求，记录水听器测量到的声压幅值，并记录加载到声源上的频率、电压幅值、声源和水听器声中心的水平距离以及测试系统的其它发射、接收参数。按照声压呈球面波衰减规律，将测量到的声压幅值折算为声源和水听器声中心的水平距离为1m时的声压幅值，进而得到该无指向性声源的自由场声源级。

$\mathrm{SL}=20\log (\frac{p_{\mathrm{test}}}{p_{\mathrm{ref}}}\·r)$

其中，SL为声源在自由场的声源级，单位dB；p_test为水听器距离声源声中心距离r时测得的声压幅值；p_ref为参考声压，取p_ref＝1μPa。

(2)在待测非消声水池中测量上述声源的空间平均声压级。将上述声源和水听器放置于待测的非消声水池中，整个测量过程中水听器表面和声源表面之间的距离应大于测试最低频率的波长，且水听器表面和声源表面距离池壁、池底或水面应大于测试最低频率的半波长。以在消声水池中测试声源的声源级时记录的测试系统的发射、接收参数作为输入条件，使声源在待测非消声水池中被加载的驱动频率和电压幅值与声源在消声水池中测量声源级时相同。在整个非消声水池的空间范围内同时缓慢随机移动声源和水听器，空间平均声压的采集时间要大于声源和水听器经历非消声水池各空间位置的时间。根据待测非消声水池的对称性，声源和水听器可在局部空间重复移动。

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SPL}}=20\log \left(\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_{\mathrm{test}}}{p_{\mathrm{ref}}}\right)$

其中，为声源在待测非消声水池中的空间平均声压级，单位dB；为为水听器在待测非消声水池中测量到的空间平均声压幅值；p_ref为参考声压，取p_ref＝1μPa。

(3)根据在消声水池(或开阔水域)中测量到的无指向性声源的声源级和在待测非消声水池中测量上述声源的空间平均声压级，反演计算待测非消声水池的混响时间

$T_{60}=\frac{55.2V}{S\·c}\·{\left[\ln \right(\frac{16\mathrm{\π}\·{10}^{\frac{\mathrm{SL}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SPL}}}{10}}}{S})+1]}^{-1}$

其中T₆₀为待测的混响时间，V为非消声水池的体积，c为水中声速，S为非消声水池池壁(含池底)面积，SL为声源在自由场的声源级，为声源在待测非消声水池中的空间平均声压级。T₆₀对应的频率，由SL和的测试频率决定。

下面以测量哈尔滨工程大学水声技术实验室的非消声水池混响时间为例，对本发明做详细说明。非消声水池长15m，宽9.3m，水面距池底高6m，水温20℃，水中声速c_water＝1485m/s。测试系统组成为：无指向性声源采用EDO 6829-17k，水听器采用B&K 8104，动态信号分析仪采用B&K PULSE3560E，功率放大器采用Instruments INC.L2。

声源的自由场声源级在哈尔滨工程大学水声技术实验室的消声水池中测量。将声源和水听器放置于消声水池5m深位置，且声中心水平；输入信号为随机白噪声，发射频率范围0-25.6k，幅度100mV有效值，功放调节至“75Ω”固定增益档，采集频率分辨率为4Hz，分析频率范围3-12.8k。水听器和声源的声中心间距为1m。测量到的声源在自由场的声源级曲线如图1所示。

在待测的非消声水池中测量上述声源的空间平均声压级。将声源和水听器放置于非消声水池中，且声源和水听器的移动区域如图2和图3所示。测量时输入信号为随机白噪声，发射频率范围0-25.6k，幅度100mV有效值，功放调节至“75Ω”固定增益档，采集频率分辨率为4Hz，采集时间为200秒，重复采集5次，分析频率范围3-12.8k。测量到的声源在非消声水池中的空间平均声压级曲线如图4所示。

根据在消声水池中测量到的无指向性声源的声源级和在非消声水池中测量声源的空间平均声压级，结合非消声水池的结构参数，利用本发明的方法计算得到频率分辨率为4Hz的非消声水池混响时间曲线，如图5所示；并和利用B&K PULSE3560E中混响时间测量模块测出的1/3倍频程结果对比，如图6所示。

结果分析：采用本发明提供的测量非消声水池混响时间的反演方法，测量反演结果与采用混响时间测量模块实测的混响时间较好的吻合，因此采用本发明提供的方法测量得出的非消声水池的混响时间是完全可信的。

Claims (4)

1.一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法，其特征在于：

(1)将任意一个无指向性声源在消声水池内利用一只校准过的水听器测量出无指向性声源的声源级，记录加载到声源上的频率和电压幅值；

(2)将无指向性声源和水听器放置于待测非消声水池中，以记录下的频率和电压幅值重新加载到无指向性声源上，同时缓慢移动声源和水听器，并由水听器测量得到空间平均声压级；

(3)利用无指向性声源在自由场中的声源级和声源在待测非消声水池测量到的空间平均声压级，反演计算得到待测非消声水池的混响时间。

2.根据权利要求1所述的一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法，其特征在于：所述的无指向性声源声源级的测量指在消声水池中利用声压呈球面波衰减规律的远场条件，测量无指向性声源在以宽带随机白噪声固定幅值输入时的远场均方声压，进而得到无指向性声源的自由场窄带声源级：

$\mathrm{SL}=20\log (\frac{p_{\mathrm{test}}}{p_{\mathrm{ref}}}\·r),$

其中，SL为声源在自由场的声源级，单位dB；p_test为水听器距离声源声中心距离r时测得的声压幅值；p_ref为参考声压，取p_ref＝1μPa；同时记录加载到无指向性声源上的频率和电压幅值，以及测试系统的发射、接收参数。

3.根据权利要求2所述的一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法，其特征在于：所述的水听器测量得到空间平均声压级是指以记录的测试系统的发射、接收参数作为输入条件，使无指向性声源在待测非消声水池中被加载的驱动频率和电压幅值与无指向性声源在消声水池中测量声源级时相同；在整个待测非消声水池的空间范围内同时缓慢随机移动声源和水听器，以测量声源在待测非消声水池中的空间平均声压级:

$\stackrel{\‾}{\mathrm{SPL}}=20\log \left(\frac{{\stackrel{\‾}{p}}_{\mathrm{test}}}{p_{\mathrm{ref}}}\right),$

其中，为声源在待测非消声水池中的空间平均声压级，单位dB；为为水听器在待测非消声水池中测量到的空间平均声压幅值；p_ref为参考声压，取p_ref＝1μPa。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种利用单水听器测量非消声水池混响时间的反演方法，其特征在于：所述的混响时间

$T_{60}=\frac{55.2V}{S\·c}{\left[\ln (\frac{16\mathrm{\π}\·{10}^{\frac{\mathrm{SL}-\stackrel{\‾}{\mathrm{SPL}}}{10}}}{S}+1)\right]}^{-1}$

其中T₆₀为待测的混响时间，V为非消声水池的体积，c为水中声速，S为非消声水池池壁含池底的面积，SL为声源在自由场的声源级，为声源在待测非消声水池中的空间平均声压级，T₆₀对应的频率，由SL和的测试频率决定。