CN105136280A - 一种多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统及方法，涉及声学测量和声品质分析领域。其装置包括内置有信号处理模块、结果输出显示模块和控制模块的计算机、模/数转换板、增益放大器及双传声器阵列。其方法为：首先根据噪声源的位置和方向布置双传声器阵列；采集信号并计算声强并进行噪声分离；根据声强计算响度和尖锐度，进行声品质评价。该方法利用声品质参数来评价混合噪声中特定成分的声学特性，既符合人耳听觉特性，还使测试更具针对性，能够更有效的实现控制噪声的目的。该系统易于实现、操作便捷、且测试精度高，填补了声学测试和声品质分析领域的空白，可广泛应用于汽车、航天和家电等多个领域的噪声控制工程中。
Description
技术领域
本发明涉及声学测量、心理声学分析和声品质评价技术领域，具体地说是在多源噪声环境下对某一特定噪声成份进行分离并对其声品质进行测量分析的一种多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统。
背景技术
随着科技的发展和生活水准的提高，人们对噪声的要求越来越苛刻。有效的噪声控制方法和手段，都需要根据特定噪声的产生机理、传递路径、频率特性和人耳的听觉特性而制定，这就要求对噪声进行准确的测量和评价。目前对噪声的测量一般都将声压级作为评价标准，这种做法的缺陷在于声压级是标量，无法对由多个噪声叠加形成的混合噪声中的某一个噪声成分进行测量；并且声压级只是一个单纯的物理参数，无法考虑人耳听觉系统特性和心理声学特性，导致测量结果往往不符合听者的主观感受。
目前对混合噪声进行分离的方法包括分部运转法、盲源信号处理、小波分析和声阵列等，这些方法由于操作繁琐、算法复杂和设备昂贵等原因，在实际中都无法得到广泛应用；而研究者为了评价人耳对噪声的主观感受，创造了多个声品质参数，其中得到广泛应用的包括响度、尖锐度和粗糙度等。由于当前对于声品质的研究还处于摸索阶段，声品质参数测量的方法和设备还不完善。
综上所述，在声学测量和声品质分析领域，迫切需要一种结构简单、操作方便快捷、精确度高，能够在多源噪声环境下对单一噪声成分进行分离并对其声品质进行测量分析的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种在多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统，解决了传统设备、方法在噪声测量和声品质分析中遇到的诸多问题，其测试精度高、易于实现、操作方便。
本发明的技术方案是这样实现的：一种多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统，它包括有计算机，传声器，其特征在于：所述的传声器为两个传声器并列设置的双传声器阵列，该双传声器阵列的信号输出端与模/数转换板输入端相连接，模/数转换板的输出端与增益放大器输入端相连接，增益放大器的输出端与内置有信号处理模块、结果输出显示模块和控制模块的计算机输入端相连接。
所述的计算机，用于控制信号采集、数据运算并实时显示测量结果；所述的模/数转换板，用于将传声器产生的模拟电压信号转换为计算机可识别的数字信号；所述的增益放大器，用于对采集来的信号进行噪声过滤和放大；所述的双传声器阵列，用于采集声场的幅值、相位和空间等信息以供计算机进行数据处理运算。
本发明所述的双传声器阵列结构包括伸缩式三脚架，在伸缩式三脚架上部固设有一固定盒，该固定盒上一侧面并列设置有两个标准电容式传声器。
上述的并列设置的两个传声器的中心间距为6-50毫米范围内。本发明由于采用双传声器阵列运用有限差分法拟合声速度梯度，两个传声器的间距直接对应不发生失真的声波波长。因为人耳可听到噪声的频率范围为20-20000Hz,所以两个传声器的中心间距范围设置为6-50毫米。
一种多源噪声环境下测试单一噪声品质的方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1：测量环境下各声源位置确认；
步骤2：系统初始化设置，双传声器阵列标定；
步骤3：根据选定声源的位置及方向，布置双传声器阵列；
步骤4：开始测量，模/数转换板实时地将双传声器阵列测量的电压响应模拟信号转换为数字信号并传输至计算机；
步骤5：计算机内置的信号处理模块根据数字信号中的幅值和相位信息，计算得到表征选定声源特性的声强值；
步骤6：计算机内置的声品质计算模块根据声强值计算响度、尖锐度和粗糙度；
步骤7：结果保存及输出；
步骤8：选择下一个声源进行测试，重复步骤3～6，直至所有选定的声源都完成测试。
本发明的有益效果：本发明多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统和方法，先利用双传声器阵列按照一定的方向采集声学信号，然后利用计算机对信号进行处理运算后得到选定声源的声强值，再根据声强值计算声品质参数。该方法利用声品质参数来评价混合噪声中特定成分的声学特性，既符合人耳听觉特性，还使测试更具针对性，能够更有效的实现控制噪声的目的。该系统易于实现、操作便捷、且测试精度高，填补了声学测试和声品质分析领域的空白，可广泛应用于汽车、航天和家电等多个领域的噪声控制工程中。
附图说明
图1为本发明多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统框图；
图2为本发明双传声器阵列结构俯视图；
图3为本发明双传声器阵列结构前视图；
图4为本发明多源噪声环境下单一噪声品质测试方法流程图；
图5为本发明声强测试原理图；
图6为本发明响度计算流程图；
图7为本发明车内噪声测试示意图。
具体实施方式
下面将结合附图1～附图7并通过实例，对本发明作进一步详细说明，但下述实例仅仅是本发明的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。
实施例1：
本实施例中的多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统，如图1所示，图中的1为计算机，4为双传声器阵列，该双传声器阵列4为两个并列设置传声器401、传声器402；该双传声器阵列4的信号输出端与模/数转换板3输入端相连接，模/数转换板3的输出端与增益放大器3输入端相连接，增益放大器3的输出端与内置有信号处理模块、结果输出显示模块和控制模块的计算机1输入端相连接。
本实施例中的计算机1，用于控制信号采集、处理数据并计算声强和声品质参数。
本实施例中的增益放大器2，用于对采集的信号进行放大并过滤干扰信号。
本实施例中的模/数转换板3，用于将双传声器阵列4产生的模拟电压信号转换为计算机1可识别的数字信号。该设备具有两个性能参数完全一致的通道，且在工作时两个通道保持同步采集数据。
本实施例中的双传声器阵列4，用于采集声场的压力幅值、相位和空间信息，其内部结构如图2和图3所示。上述的双传声器阵列结构包括有一伸缩式三脚架404，在伸缩式三脚架404上部固设有一固定盒403，该固定盒403上一侧面并列设置有两个标准1/2英寸电容式传声器401、传声器402。本实施例中传声器401和传声器402均为标准1/2英寸电容式传声器，用来采集2个通道的信号。两个传声器中心间距为12毫米，测试的频率范围为120Hz至5000Hz；固定盒403用于固定双传声器阵列4并调整其测试方向；伸缩三脚架404用于调整双传声器阵列4的高度。
实施例2：
本实施例中的多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统与实施例1的区别在于，传声器401与传声器402的中心间距为50毫米，对应的测试范围为30Hz至1200Hz。
实施例3：
本实施例中的多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统与实施例1的区别在于，传声器401与传声器402均为标准1/4英寸麦克风，中心间距为6毫米，对应的测试范围为6000至12000Hz。
实施例4：
本实施例中的多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统与实施例1的区别在于，测试前需要对传声器阵列4进行相位和幅值标定。由于相位失配是声强测试最主要的误差源，所以在测量前应使用校准器或均匀平面波声场对阵列进行校准。
实施例5：
本实施例中的多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统与实施例1的区别在于，测试环境中若存在高速气流，传声器前端应使用防风罩以消除测试误差。
实施例6：
本实施例中的多源噪声环境下测试单一噪声品质的方法，采用如实施例1的装置实现，其流程如图4所示，包括以下步骤：
在步骤601中，对测试环境的噪声源的数量和位置进行确认，并排定测试顺序。
在步骤602中，启动测试系统，对信号采集和增益放大装置进行初始化设置。
在步骤603中，根据待测声源的位置和声音传播方向，布置双传声器阵列。
在步骤604中，开始测试，传声器阵列采集到声压信号，并将声压信号转换为电压信号。信号经模/数转后，传输到计算机中。计算机对数字信号进行加窗降噪、加权平均、傅里叶变换处理后，得到声压频谱信号。
在步骤605中，根据传声器阵列采集的声压信号计算声源的声强值并实现噪声分离。具体算法如下：声强的定义为传播方向上流经单位面积的声能顺时流率，用公式表示为
式中p(t)为被测点瞬时声压，u(t)为质点在传播方向上的瞬时声速。
在频率域下，声强公式转换成
式中G pu 为声压p和声速u的互功率谱密度函数。
如图5所示，根据上述声强公式，利用双传声器阵列4的空间和方向特性计算在声波传播方向上的声强：
式中ρ 0为空气密度，r为两个传声器中心间距，G 12为双传声器测得声压p 1(t)和p 2(t)的单边互功率谱密度函数，Im表示取复数的虚部。
根据声强的矢量特性，在声源位置固定的前提下，若声音的传播方向与双传声器阵列4的测试方向相同，则测得的声强为正值；若声音的传播方向与双传声器阵列4的测试方向相反，则测得的声强为负值；若声音的传播方向与双传声器阵列4的测试方向垂直，则测得的声强为零。据此在存在多个噪声源的环境下，通过合理布置双传声器阵列4的测试方向，使除关心声源之外其他声源的测试声强均为负值或零，并在处理测试结果时只保留正值，就可以实现分离测试单一声源的目的。
在步骤606中，根据测试声源的声强值计算响度和尖锐度，进行声品质评价。响度是一项用来衡量人耳听觉系统对声音大小主观感受的心理声学参数，计算流程图如图6所示。声压信号被采集后，首先进行加窗运算和1/3倍频程带通滤波，之后再进行FFT变换得到各个1/3倍频程频带频谱。计算每个频带的平均值后，参照等响曲线进行修正，再将频率域转换为临界频带，就得到特性响度。对特性响度进行积分，得到总响度。本发明对响度计算流程进行修改，使用步骤605中计算得到的声强值替换图6中灰色方框部分。由于声强是对单一噪声进行分离后得出，并且在幅值上等于该单一噪声产生的声压，所以计算出的响度同样为该单一噪声的响度。在响度的基础上，进行一阶矩加权，就得到表征声音中高频成分所占比重的尖锐度，计算公式如下：
式中，S代表尖锐度，N ’ 代表特性响度，z为临界频带，g(z)为一阶矩加权函数。
在步骤607中，储存计算结果进行实时显示后，选择下一声源继续测试，重复步骤603到606，直至所有声源完成测试。
实施例7：
本实施例使用本发明一种多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统及方法，对汽车驾驶室内噪声进行测试，测试示意图如图7所示。汽车在行驶过程中存在多个噪声源，在本实施例中选取了发动机噪声、空调噪声、底盘激励噪声和风噪声进行测试。根据各个噪声源的位置，结合驾驶室内的空间分布，分别将双传声器阵列布置在方向盘下方（测试发动机噪声）、副驾驶空调出风口（测试空调噪声）、地板上方（测试底盘激励噪声）和车窗上方（测试风噪声）。最终测试的结果为，发动机噪声的响度为20.82（单位：Sone）,尖锐度为0.58（单位：Acum）；空调噪声的响度为12.69（Sone）,尖锐度为0.67（Acum）；底盘激励噪声的响度为9.92（Sone）,尖锐度为0.45（Acum）；风噪声的响度为11.65（Sone）,尖锐度为0.79（Acum）。
Claims (8)
1.一种多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统，它包括有计算机，传声器，其特征在于：所述的传声器为两个传声器并列设置的双传声器阵列，该双传声器阵列的信号输出端与模/数转换板输入端相连接，模/数转换板的输出端与增益放大器输入端相连接，增益放大器的输出端与内置有信号处理模块、结果输出显示模块和控制模块的计算机输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统，其特征在于：所述的双传声器阵列结构包括伸缩式三脚架，在伸缩式三脚架上部固设有一固定盒，该固定盒上一侧面并列设置有两个标准1/2英寸电容式传声器。
3.根据权利要求1或2所述的多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统，其特征在于：并列设置的两个传声器的中心间距为6-50毫米范围内。
4.根据权利要求1所述的多源噪声环境下测试单一噪声品质的系统，其特征在于：所述的计算机，用于控制信号采集、数据运算并实时显示测量结果；所述的模/数转换板，用于将传声器产生的模拟电压信号转换为计算机可识别的数字信号；所述的增益放大器，用于对采集来的信号进行噪声过滤和放大；所述的双传声器阵列，用于采集声场的幅值、相位和空间等信息以供计算机进行数据处理运算。
5.一种多源噪声环境下测试单一噪声品质的方法，所述测试单一噪声品质的结构为：它包括有计算机，传声器，其特征在于：所述的传声器为两个传声器并列设置的双传声器阵列，该双传声器阵列的信号输出端与模/数转换板输入端相连接，模/数转换板的输出端与增益放大器输入端相连接，增益放大器的输出端与内置有信号处理模块、结果输出显示模块和控制模块的计算机输入端相连接；所述测试方法及步骤：
步骤1：测量环境下各声源位置确认；
步骤2：系统初始化设置，双传声器阵列标定；
步骤3：根据选定声源的位置及方向，布置双传声器阵列；
步骤4：开始测量，模/数转换板实时地将双传声器阵列测量的电压响应模拟信号转换为数字信号并传输至计算机；
步骤5：计算机内置的信号处理模块根据数字信号中的幅值和相位信息，计算得到表征选定声源特性的声强值；
步骤6：计算机内置的声品质计算模块根据声强值计算响度、尖锐度和粗糙度；
步骤7：结果保存及输出；
步骤8：选择下一个声源进行测试，重复步骤3～6，直至所有选定的声源都完成测试。
6.根据权利要求5所述的多源噪声环境下测试单一噪声声品质的方法，所述的双传声器阵列结构包括伸缩式三脚架，在伸缩式三脚架上部固设有一固定盒，该固定盒上一侧面并列设置有两个标准1/2英寸电容式传声器。
7.根据权利要求5或6所述的多源噪声环境下测试单一噪声品质的方法，其特征在于：并列设置的两个传声器的中心间距为6-50毫米范围内。
8.根据权利要求5所述的多源噪声环境下测试单一噪声品质的方法，其特征在于：所述的计算机，用于控制信号采集、数据运算并实时显示测量结果；所述的模/数转换板，用于将传声器产生的模拟电压信号转换为计算机可识别的数字信号；所述的增益放大器，用于对采集来的信号进行噪声过滤和放大；所述的双传声器阵列，用于采集声场的幅值、相位和空间等信息以供计算机进行数据处理运算。
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