CN107436190B - 一种电声互易装置的非互易补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电声互易装置的非互易补偿方法，包括：在全消声实验室内测量待测电声互易装置的声中心以及指向性，进而获得其表现为单极子特性的频率范围；随后在全消声室中，测量该电声互易装置的发射响应函数和接收响应函数；如果发射响应函数和接收响应函数相等，那么电声互易装置满足互易的要求；如果发射响应函数和接收响应函数不相等，那么该电声互易装置不满足互易的要求；如果发射响应函数和接收响应函数不相等并且不相等的频率范围位于单极子特性所在的频率范围之内，那么进行补偿，补偿的范围限于单极子特性所在的频率范围之内，补偿方法为：补偿量等于发射响应函数除以接收响应函数。

Description

一种电声互易装置的非互易补偿方法

技术领域

本发明涉及声学测量技术领域，特别涉及一种可用于互易测试的电声互易装置的非互易补偿方法。

背景技术

在任意声场环境中的低频声源测试是一个困难的问题，目前已有的方法往往存在低频极限。互易原理提供了一种解决该难题的途径。在基于互易原理的测量中，互易换能器是最重要的装置。

专利号为ZL 201520753800.0的中国专利《一种用于低频声源测试的双端面的力声互易装置》和申请号为201510622864.1的中国专利申请《一种用于低频声源测试的双端面的力声互易装置和方法》，采用了对称腔体结构来实现互易装置的设计。进一步地，申请号为201610286795.6以及申请号为201620390803.7的中国专利申请《一种用于水声低频声源测试的单端面互易装置》，针对双端面的力声互易装置存在对称腔体结构的加工和精度要求非常高的问题，提出了一种单端面的力声互易装置设计方法。

在理论上，许多电声装置是互易的，但是实际情况中存在非线性等因素的影响，会导致电声互易装置不互易。在现有技术中尚不存在对电声互易装置进行补偿的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的某些电声互易装置在实际使用中不互易的缺陷，从而提供一种电声互易装置的非互易补偿方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电声互易装置的非互易补偿方法，包括：

在全消声实验室内测量待测电声互易装置的声中心以及指向性，进而获得其表现为单极子特性的频率范围；随后在全消声室中，测量该电声互易装置的发射响应函数和接收响应函数；如果发射响应函数和接收响应函数相等，那么电声互易装置满足互易的要求；如果发射响应函数和接收响应函数不相等，那么该电声互易装置不满足互易的要求；如果发射响应函数和接收响应函数不相等并且不相等的频率范围位于单极子特性所在的频率范围之内，那么进行补偿，补偿的范围限于单极子特性所在的频率范围之内，补偿方法为：补偿量等于发射响应函数除以接收响应函数。

上述技术方案中，该方法进一步包括：

(1)在全消声实验室内，测得电声互易装置的声中心；

(2)在全消声实验室中，在电声互易装置前方不同角度测量该互易装置的指向性，确定其开始出现指向性的频率f₀；

(3)在全消声实验室内，给电声互易装置输入电流I(f)，在其正前方一定距离处放置传声器，测得声压p_t(f)，根据公式1计算该电声互易装置的发射响应函数，即单位电流激励下的体积速度：

其中，p_t表示声压，r表示传声器距离电声互易装置的声中心的距离，I表示输入电流，ρ表示空气密度，f表示频率，绝对值表示响应函数的幅度；

(4)在全消声实验内，在距离电声互易装置一定距离处放置一个声源，在电声互易装置的声中心处放置传声器；让声源发声，测得传声器的声压，以及互易装置中扬声器的开路电压E(f)；根据公式2计算该电声互易装置的接收响应函数：

其中，p_r(f)表示声压，E(f)表示互易装置中扬声器的开路电压；

(5)比较电声互易装置的发射响应函数S_G(f)和接收响应函数S_R(f)，如果传递函数完全相同，说明该电声互易装置具有较好的互易性；如果发射响应函数和接收响应函数不同，并且发射响应函数和接收响应函数不相等并且不相等的频率范围位于单极子特性所在的频率范围之内，需要进行非互易补偿；非互易补偿量为：

其中，Δ表示非互易补偿量。

本发明的优点在于：针对电声互易装置非互易的问题，本发明提供一种电声互易装置的非互易补偿方法，不仅提高了测试结果的准确信，同时降低了电声互易装置的获取难度。

附图说明

图1是本发明的电声互易装置的非互易补偿方法流程图；

图2(a)是基于电声互易原理的声源测试方法中正向实验的示意图；

图2(b)是基于电声互易原理的声源测试方法中反向实验的示意图；

图3是本发明的一个电声互易装置的发射响应函数和接收电流响应函数；

图4是本发明的一个电声互易装置的非互易补偿结果；

图5是本发明的基于电声互易装置的测试结果及经过非互易补偿的结果。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明在全消声实验室内测量该电声互易装置的声中心以及指向性，进而获得其表现为单极子特性的频率范围；随后在全消声室中，测量该电声互易装置的发射性质(发射响应函数)和接收性质(接收响应函数)。如果发射响应函数和接收响应函数相等，那么电声互易装置满足互易的要求；如果发射响应函数和接收响应函数不相等，那么该电声互易装置不满足互易的要求。如果发射响应函数和接收响应函数不相等并且不相等的频率范围位于单极子特性所在的频率范围之内，那么进行补偿，补偿的范围限于单极子特性所在的频率范围之内，补偿方法为：补偿量等于发射响应函数除以接收响应函数。

本发明的非互易补偿方法具体包括以下步骤：

(1)在全消声实验室内，根据ISO3745:2003或者GB/T 6882-2008中的方法测得电声互易装置的声中心。

(2)在全消声实验室中，在电声互易装置前方不同角度测量该互易装置的指向性，确定其开始出现指向性的频率(f₀)。

(3)在全消声实验室内，给电声互易装置输入电流I(f)，在其正前方一定距离处放置传声器，测得声压p_t(f)，根据公式1计算该电声互易装置的发射响应函数，即单位电流激励下的体积速度：

其中，p_t表示声压，r表示传声器距离电声互易装置的声中心的距离，I表示输入电流，ρ表示空气密度，f表示频率，绝对值表示响应函数的幅度。本步骤是根据单极子在自由场中的辐射特性推导而来，因此也被称为自由场法。

(4)在全消声实验内，在距离电声互易装置一定距离处放置一个声源，在电声互易装置的声中心处放置传声器。让声源发声，测得传声器的声压，以及互易装置中扬声器的开路电压E(f)。根据公式2即可以计算该电声互易装置的接收响应函数：

其中，p_r(f)表示声压，E(f)表示互易装置中扬声器的开路电压。

(5)比较电声互易装置的发射响应函数S_G(f)和接收响应函数S_R(f)，如果传递函数完全相同，说明该电声互易装置具有较好的互易性；如果发射响应函数和接收响应函数不同，并且发射响应函数和接收响应函数不相等并且不相等的频率范围位于单极子特性所在的频率范围之内，需要进行非互易补偿。非互易补偿量为：

Δ表示非互易补偿量。

该非互易补偿量的应用背景如下：

图2表示的是基于电声互易原理的声源测试方法示意图。图中S₁表示待测声源，S₂表示作为辅助传感器的电声互易装置。声场环境满足线性、无源、稳定的条件。

如图2(a)所示，正向实验中，给S₁输入电流I₁，测得S₂的开路电压E₁；如图2(b)所示，反向实验中，给S₂输入电流I₂，可测得S₁的开路电压E₂和传声器声压P₂(传声器放置在S₁的声中心处)。

为了以后的推导方便，对即将引入的物理量进行说明：

S_1G：未知声源的发射响应，等于体积速度除以输入电流，S_1G＝Q₁/I₁；

S_1R：未知声源的接收响应，等于声中心处的声压除以开路电压，S_1R＝E₂/P₂；

S_2G：辅助扬声器的发射响应，等于体积速度除以输入电流，S_2G＝Q₂/I₂；

S_2R：辅助扬声器的接收响应，等于声中心处的声压除以开路电压，S_2R＝E₁/P₁；

TF₁：未知声源声中心到辅助扬声器声中心处的传递函数，等于辅助扬声器声中心处声压除以未知声源的体积速度，TF₁＝P₁/Q₁；

TF₂：辅助扬声器声中心到未知声源声中心处的传递函数，等于未知声源声中心处声压除以辅助扬声器的体积速度，TF₂＝P₂/Q₂。

对于图2所示的电声互易实验系统，根据互易原理的测试方法可知：

根据图2(a)可知：

E₁＝Q₁·TF₁·S_2R (公式5)

根据图2(b)可知：

P₂＝I₂·S_2G·TF₂ (公式6)

定义体积速度响应函数

体积速度响应函数的单位为m³/sA，其物理意义为单位电流输入的体积速度响应。

结合公式(公式4)(公式5)(公式6)(公式7)可知：

如果声场和辅助扬声器S₂都是互易的，即

那么(公式8)可以表示为：

显然，S_1G和具有同样的物理意义，都表示待测声源S₁的体积速度响应函数。但是S_1G是S₁的固有属性，而是通过电声互易实验测量得到的值，只有在理想测量情况下，两者才能完全相等。

如果辅助扬声器非互易，即S_2G≠S_2R，可知这说明，当辅助扬声器非互易时，利用电声互易原理测量的结果会出现误差。此时，(公式8)可简化为：

变形可知，电声实验的相对误差为：

同时可知：

其中：Δ＝S_2G/S_2R，表示电声互易装置的发射响应函数除以接收响应函数。

(公式12)揭示，互易测试的结果需要经过电声互易装置的非互易补偿，才能得到正确的结果。在只考虑幅度的情况下，将(公式12)转化为dB形式，更为直观：

由(公式13)可以看出，非互易补偿量相当于在互易测试结果的基础上，增加一个修正量。

为了更好地说明本发明的非互易补偿方法，下面结合具体的实例做进一步说明。

电声互易装置一般由电动式扬声器和后腔组成，在一个实施例中，所采用的电声互易装置的后腔为有机玻璃材质，称为有机玻璃后腔电声互易装置，该装置的互易性质较差。下文以有机玻璃后腔电声互易装置为例结合本发明提供的方法进行说明。

在全消声实验室内，通过ISO3745:2003或者GB/T 6882-2008中的方法测量出有机玻璃后腔的电声互易装置的声中心的位置。经过测量，其声中心位置在其振膜中心前方3cm处。在全消声实验室中，在电声互易装置前方不同角度测量该互易装置的指向性，确定其开始出现明显指向性的频率。发现，该电声互易装置在600Hz以下具有良好的单极子特性。

在全消声实验室内，给电声互易装置输入电流，在其正前方2m处放置传声器，测得声压。根据公式1计算该电声互易装置的发射响应函数。注意此时公式1中的r的值应该是1.97m。发射响应函数如图3中实线所示。在全消声实验室内放置一个声源，在电声互易装置的声中心处放置传声器。让声源发声，测得传声器的声压，以及电声互易装置的开路电压，并根据公式2计算接收响应函数。接收响应函数如图3中虚线所示。

比较测量的发射响应函数和接收响应函数(图3中的实线和虚线)，发现两条曲线不完全相等，尤其在低频有较大差异。这说明该电声互易装置并不互易。考虑到发射响应函数和接收响应函数差异较大的区域在350Hz以下，利用测量的发射响应函数和接收响应函数，根据公式3计算非互易补偿量，该非互易补偿量如图4所示。

如图5所示，是一个待测声源，利用有机后腔电声互易装置进行互易测试的结果，在该图中分别给出了不经过非互易补偿、经过非互易补偿的互易测试结果，以及参考方法——自由场法的测试结果。从中可以看出，经过非互易补偿之后，明显提高了测量的准确性。这从侧面说明了非互易补偿的效果。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种电声互易装置的非互易补偿方法，包括：

在全消声实验室内测量待测电声互易装置的声中心以及指向性，进而获得其表现为单极子特性的频率范围；随后在全消声室中，测量该电声互易装置的发射响应函数和接收响应函数；如果发射响应函数和接收响应函数相等，那么电声互易装置满足互易的要求；如果发射响应函数和接收响应函数不相等，那么该电声互易装置不满足互易的要求；如果发射响应函数和接收响应函数不相等并且不相等的频率范围位于单极子特性所在的频率范围之内，那么进行补偿，补偿的范围限于单极子特性所在的频率范围之内，补偿方法为：补偿量等于发射响应函数除以接收响应函数。

2.根据权利要求1所述的电声互易装置的非互易补偿方法，其特征在于，该方法进一步包括：

(1)在全消声实验室内，测得电声互易装置的声中心；

(2)在全消声实验室中，在电声互易装置前方不同角度测量该互易装置的指向性，确定其开始出现指向性的频率f₀；

(3)在全消声实验室内，给电声互易装置输入电流I(f)，在其正前方一定距离处放置传声器，测得声压p_t(f)，根据公式1计算该电声互易装置的发射响应函数，即单位电流激励下的体积速度：

其中，p_t(f)表示声压，r表示传声器距离电声互易装置的声中心的距离，I(f)表示输入电流，ρ表示空气密度，f表示频率，绝对值表示响应函数的幅度；

(4)在全消声实验内，在距离电声互易装置一定距离处放置一个声源，在电声互易装置的声中心处放置传声器；让声源发声，测得传声器的声压，以及互易装置中扬声器的开路电压E(f)；根据公式2计算该电声互易装置的接收响应函数：

其中，p_r(f)表示声压，E(f)表示互易装置中扬声器的开路电压；

(5)比较电声互易装置的发射响应函数S_G(f)和接收响应函数S_R(f)，如果传递函数完全相同，说明该电声互易装置具有较好的互易性；如果发射响应函数和接收响应函数不同，并且发射响应函数和接收响应函数不相等并且不相等的频率范围位于单极子特性所在的频率范围之内，需要进行非互易补偿；非互易补偿量为：

其中，Δ表示非互易补偿量。