CN109324113A - 一种混响水池壁面平均吸声系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学测量领域，具体涉及一种混响水池壁面平均吸声系数的测量方法，包括以下步骤：测量标准球形声源辐射声功率级SWL；测量混响水池标准球形声源空间平均声压级<SPL>；测量混响水池壁面平均吸声系数。本发明测量方法简单、易操作，实验效果明显，易于评估；本发明与混响室中通过测量混响时间来测量材料吸声系数的方法相比，本发明通过对128点同时测量并进行空间平均而得到测量结果，效率更高，不确定度更低；本发明解决了混响水池壁面平均吸声系数的准确测量问题，这对于了解混响水池的水池常数及完成混响水池的校准具有重要意义。

Description

一种混响水池壁面平均吸声系数的测量方法

技术领域

本发明属于声学测量领域，具体涉及一种混响水池壁面平均吸声系数的测量方法。

背景技术

空气中混响室壁面被认为是绝对硬边界，壁面的吸声系数接近0。混响水池壁面的吸收较大，壁面不满足绝对硬边界条件。掌握混响水池壁面的吸声系数对于研究混响水池中的声场特性及在混响水池中开展的声源辐射声功率测量具有重要的意义。

吸声系数是表征混响水池壁面声学性能的重要参数。实验室测量空气中材料吸声系数的方法很多，如驻波管法、传递函数法、反射法、声强法等。但使用最早最多的还是混响室法。它通过测量混响室有无吸声材料时的混响时间，然后将其代入赛宾公式即可求出吸声材料的吸声系数。混响室法能测量声波无规入射的平均吸声系数，这与实际工程中声波的入射方式较为接近。在国际上采用混响室法测量材料的吸声系数都有相应的规范。国际上有ISO354-2006规定了混响室法测量吸声系数的规范，国内有GB/T 20247-2006《声学混响室吸声测量》的规范。而水中利用混响法的测量技术，其测量基本理论及实验技术以封闭空间声场理论为基础，从空气中混响室的声场测试方法发展而来。混响室中空气的阻抗比混响室壁面的阻抗小3500倍以上，混响室壁面的吸声系数接近0，壁面认为是绝对硬边界。混响水池中水的阻抗与混响水池壁面(混凝土材料)的阻抗之比在2-6倍之间，不满足绝对硬边界条件，这导致混响水池的声学特性与混响室有较大差异，同时混响水池中混响时间远小于相同条件下混响室的混响时间，这也给混响时间的测量带来了困难，因此不能完全照搬混响室中材料吸声系数的测量方法。目前还未有人测量过混响水池壁面的吸声系数。

综上所述，由于混响水池中水的阻抗与混响水池壁面的阻抗之比在2-6倍之间，不满足绝对硬边界条件，这导致混响水池的声学特性与混响室有较大差异，同时混响水池中混响时间远小于相同条件下混响室的混响时间，这也给混响时间的测量带来了困难，目前还未有人测量过混响水池壁面的吸声系数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混响水池壁面吸声系数的测量方法及装置。

为实现上述发明目的，本发明所述的混响水池壁面吸声系数的测量方法，该方法包括以下步骤：

一种混响水池壁面平均吸声系数的测量方法，包括以下步骤：

(1)测量标准球形声源辐射声功率级SWL；

(2)测量混响水池标准球形声源空间平均声压级&lt;SPL&gt;；

(3)测量混响水池壁面平均吸声系数。

所述测量标准球形声源辐射声功率级SWL，包括：

(1)布置和连接设备在消声水池中布置声源及标准水听器及其它测试系统，声源与水听器相距1m，信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与标准球形声源相连，标准水听器与多通道测试系统相连，多通道测试系统与标准水听器连接采用的是BNC连接头；

(2)测试准备打开信号发生器，功率放大器，多通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对水听器进行灵敏度校准；

(3)测试功率放大器稳定工作3分钟后，使声源发射500Hz-20kHz的宽带白噪声信号，采用多通道测试系统采集90秒数据，采样率为51.2kHz，测量距声源1m处的声压级，经数据处理得到声功率级SWL。

所述测量混响水池标准球形声源空间平均声压级&lt;SPL&gt;，包括：

(1)布置测试系统与水听器，128路水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是BNC连接头；

(2)打开128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准；

(3)打开水泵，使管路系统工作，稳定工作3分钟后，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为51.2kHz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级&lt;SPL&gt;。

所述测量混响水池壁面平均吸声系数，包括：

(1)只考虑斜向波，体积为V的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：

单位带宽内的简正波数为：

简正波共振峰的平均半功率带宽为：

其中，为水箱的平均阻尼常数，由此，简正波共振峰的平均半功率带宽取决于水箱的吸收系数；

其中，T₆₀为混响时间；

混响水池混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽，根据Schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件表示为：

由此求得：

其中，c₀为声波在水中的传播速度，T₆₀为混响时间，混响水池的体积为V；

(2)混响水池混响时间T₆₀的测量；

混响时间的测量采用中断声源法，由PULSE动态信号分析仪中的信号源产生的白噪声信号经功率放大器放大后加到发射换能器，水听器收到的信号经测量放大器放大后再送入到PULSE动态信号分析仪便得到1/3倍频程带宽内的混响时间，系统采用自动触发方式，当声源停止发射后，被测信号下降5dB时系统自动开始记录，然后根据采集的数据计算出混响时间；

混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差，为减少重复偏差，每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面不小于1.5米，声源及水听器取10点进行空间平均；

(3)获得混响水池壁面的平均吸声系数

在混响水池中当声源辐射时，水池内部声能由直达声能与混响声能两部分组成，假设无指向性声源的平均辐射声功率为则得到直达声平均声能密度以及稳态混响平均声能密度分别为：

其中，R为混响水池常数，S为混响水池壁面的总面积，混响水池壁面的平均吸声系数；

由于直达声与混响声是不相干的，则他们在空间的叠加为能量密度叠加，这时混响水池内声场的总平均能量密度应为：

同时考虑到得到：

上式的另一种写法：

若取1/(4πr²)＝4/R，则混响半径为：

在此距离上，直达声与混响声大小相等，当r＞r_h时，混响声起主要作用；当r＜r_h时，直达声起主要作用，当r＞2r_h时，混响声比直达声大很多，此时混响水池中的声以混响声为主，直达声应忽略；定义此区域为混响控制区，则在混响水池的混响控制区测得的空间平均声压级与声源的辐射声功率级有如下关系：

由上式推出：

其中，这样测得了SWL及&lt;SPL&gt;，根据上式计算混响水池满足混响场条件相应频段的壁面平均吸声系数

本发明的有益效果在于：

(1)本发明测量方法简单、易操作，实验效果明显，易于评估；

(2)本发明与混响室中通过测量混响时间来测量材料吸声系数的方法相比，本发明通过对128点同时测量并进行空间平均而得到测量结果，效率更高，不确定度更低；

(3)本发明解决了混响水池壁面平均吸声系数的准确测量问题，这对于了解混响水池的水池常数及完成混响水池的校准具有重要意义。

附图说明

图1是消声水池声源声功率级测试系统；

图2是混响水池中壁面吸声系数测试系统；

图3是混响水池声源及128路水听器立体图；

图4是混响水池声源及128路水听器俯视图；

图5是混响水池声源及128路水听器侧视图；

图6是混响水池混响时间测试系统；

图7是哈尔滨工程大学水声技术重点实验室混响水池壁面平均吸声系数；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1中：1-消声水池；2-球型换能器；3-标准水听器；4-测量放大器；5-多通道测试系统；6-第一计算机；7-第二计算机；8-采集器；9-功率放大器；10-吸声尖劈；

图2中：2-球型换能器；4-测量放大器；5-多通道测试系统；6-第一计算机；7-第二计算机；8-采集器；9-功率放大器；11-非消声水池；12-128路水听器阵列；

图3中：3-标准水听器；11-非消声水池；12-128路水听器阵列；

图4中：2-球型换能器；11-非消声水池；12-128路水听器阵列；

图5中：2-球型换能器；11-非消声水池；12-128路水听器阵列；

图6中：2-球型换能器；3-标准水听器；4-测量放大器；6-第一计算机；8-采集器；9-功率放大器；11-非消声水池；

本发明属于声学测量领域。具体涉及一种混响水池壁面平均吸声系数的测量方法。该方法步骤如下：(1)在消声水池中测量出标准球形声源的辐射声功率级；(2)在混响水池中通过空间平均测得标准声源同样工况下的空间平均声压级；(3)根据上述测量结果经计算得到混响水池壁面的平均吸声系数。本发明的测量方法原理简单、操作方便，且对混响水池壁面吸声系数的测量真实可靠，具有极大的使用价值。

本发明属于声学测量领域，尤其涉及一种混响水池壁面平均吸声系数的测量方法。

空气中混响室壁面被认为是绝对硬边界，壁面的吸声系数接近0。混响水池壁面的吸收较大，壁面不满足绝对硬边界条件。掌握混响水池壁面的吸声系数对于研究混响水池中的声场特性及在混响水池中开展的声源辐射声功率测量具有重要的意义。

吸声系数是表征混响水池壁面声学性能的重要参数。实验室测量空气中材料吸声系数的方法很多，如驻波管法、传递函数法、反射法、声强法等。但使用最早最多的还是混响室法。它通过测量混响室有无吸声材料时的混响时间，然后将其代入赛宾公式即可求出吸声材料的吸声系数。混响室法能测量声波无规入射的平均吸声系数，这与实际工程中声波的入射方式较为接近。在国际上采用混响室法测量材料的吸声系数都有相应的规范。国际上有ISO354-2006规定了混响室法测量吸声系数的规范，国内有GB/T 20247-2006《声学混响室吸声测量》的规范。而水中利用混响法的测量技术，其测量基本理论及实验技术以封闭空间声场理论为基础，从空气中混响室的声场测试方法发展而来。混响室中空气的阻抗比混响室壁面的阻抗小3500倍以上，混响室壁面的吸声系数接近0，壁面认为是绝对硬边界。混响水池中水的阻抗与混响水池壁面(混凝土材料)的阻抗之比在2-6倍之间，不满足绝对硬边界条件，这导致混响水池的声学特性与混响室有较大差异，同时混响水池中混响时间远小于相同条件下混响室的混响时间，这也给混响时间的测量带来了困难，因此不能完全照搬混响室中材料吸声系数的测量方法。目前还未有人测量过混响水池壁面的吸声系数。

1.发明目的：本发明的目的在于提供一种混响水池壁面吸声系数的测量方法及装置。

2.技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的混响水池壁面吸声系数的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)标准球形声源辐射声功率级SWL的测量

a.设备布置及连接

按图1在消声水池中布置声源及标准水听器及其它测试系统，声源与水听器相距1m。信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与标准球形声源相连。标准水听器与多通道测试系统相连。多通道测试系统与标准水听器连接采用的是BNC连接头。

b.测试准备

打开信号发生器，功率放大器，多通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对水听器进行灵敏度校准。

c.测试

功率放大器稳定工作3分钟后，使声源发射500Hz-20kHz的宽带白噪声信号，采用多通道测试系统采集90秒数据，采样率为51.2kHz，测量距声源1m处的声压级，经数据处理得到声功率级SWL。

(2)混响水池标准球形声源空间平均声压级&lt;SPL&gt;的测量

a.设备布置及连接

按图2布置测试系统，按图3、图4、图5布置声源及水听器。信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与标准球形声源相连；128水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是BNC连接头。

b.测试准备

打开信号发生器，功率放大器，128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准。

c.测试

功率放大器稳定工作3分钟后，使声源发射500Hz-20kHz的宽带白噪声信号，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为50kHz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级&lt;SPL&gt;。

(3)混响水池壁面平均吸声系数的获得

a.混响水池截止频率的确定

若只考虑斜向波，体积为V的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：

单位带宽内的简正波数为：

简正波共振峰的平均半功率带宽Δf为：

这里，为水箱的平均阻尼常数。由此可见，简正波共振峰的平均半功率带宽取决于水箱的吸收系数，而：

混响水池混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽。根据Schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件可表示为：

由此可求得：

通过式(6)可确定混响水池的截止频率，并确定该方法的测量频率范围。

b.混响水池混响时间T₆₀的测量；

为确定混响水池的截止频率f_s，需测量混响水池的混响时间T₆₀。混响时间的测量采用中断声源法，测量系统附图6所示。由PULSE(3560E)动态信号分析仪中的信号源产生的白噪声信号经功率放大器(B&K2713)放大后加到发射换能器。水听器收到的信号经测量放大器(B&K2692)放大后再送入到PULSE动态信号分析仪便可得到1/3倍频程带宽内的混响时间。系统采用自动触发方式，当声源停止发射后，被测信号下降5dB时系统自动开始记录，然后根据采集的数据计算出混响时间。

混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差。采用中断声源法测量混响时间时，测试信号为白噪声信号，由于其具有随机性，导致在声源终止发声时，其激发的简正波模式及程度也具有随机性，不同模式的混响时间是不同的，因此便产生了混响时间测量的重复偏差。为减少重复偏差，建议每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，建议对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面至少1.5米，声源及水听器至少取10点进行空间平均。

c.混响水池壁面的平均吸声系数的获得。

在混响水池中当声源辐射时，水池内部声能由直达声能与混响声能两部分组成。假设无指向性声源的平均辐射声功率为则得到直达声平均声能密度以及稳态混响平均声能密度分别为：

式(8)中，R为混响水池常数，其中S为混响水池壁面的总面积，为混响水池壁面的平均吸声系数。由于直达声与混响声是不相干的，则他们在空间的叠加可以表现为能量密度叠加，这是混响水池内声场的总平均能量密度应为：

同时考虑到可以得到：

上式也可以写为：

若取1/(4πr²)＝4/R，则可以确定混响半径：

在此距离上，直达声与混响声大小相等。当r＞r_h时，混响声起主要作用；当r＜r_h时，直达声起主要作用。当r＞2r_h时，混响声比直达声大很多，此时混响水池中的声以混响声为主，直达声可以忽略。定义此区域为混响控制区，则在混响水池的混响控制区测得的空间平均声压级与声源的辐射声功率级有如下关系：

由式(13)可推出：

式14中，

这样测得了SWL及&lt;SPL&gt;，根据式(14)就可计算混响水池满足混响场条件相应频段的壁面平均吸声系数

3.有益效果：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，实验效果明显，易于评估；(2)与混响室中通过测量混响时间来测量材料吸声系数的方法相比，本方法通过对128点同时测量并进行空间平均而得到测量结果，效率更高，不确定度更低；(3)解决了混响水池壁面平均吸声系数的准确测量问题，这对于了解混响水池的水池常数及完成混响水池的校准具有重要意义。

图1消声水池声源声功率级测试系统

图2混响水池中壁面吸声系数测试系统

图3混响水池声源及128路水听器布置图(立体图)

图4混响水池声源及128路水听器布置图(俯视图)

图5混响水池声源及128路水听器布置图(侧视图)

图6混响水池混响时间测试系统

图中：1消声水池；2球型换能器；3标准水听器；4测量放大器(B&K 2692)；5多通道测试系统(DH8306A)；6计算机1；7计算机2；8采集器(PULSE3560E)；9功率放大器(B&K2713)；10吸声尖劈；11非消声水池；12128路水听器阵列。

以哈尔滨工程大学水声技术重点实验室的混响水池为例。该混响水池池壁为混凝土结构，内壁敷设瓷砖，该水池的尺度为：长15m，宽9m，深6m。混响水池的测量截止频率约为500Hz，因此，测量的频率范围为500Hz-20kHz。

(1)标准球形声源辐射声功率级SWL的测量

a.设备布置及连接

按图1在消声水池中布置声源及标准水听器及其它测试系统，声源与水听器相距1m；Pulse发射模块与功率放大器相连，功率放大器与标准球形声源相连；标准水听器与多通道测试系统相连。多通道测试系统与标准水听器连接采用的是BNC连接头。

b.测试准备

打开位于Pulse模块上的信号发生器，功率放大器，多通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对水听器进行灵敏度校准。

c.测试

功率放大器稳定工作3分钟后，使声源发射500Hz-20kHz的宽带白噪声信号，采用多通道测试系统采集90秒数据，采样率为51.2kHz，测量距声源1m处的声压级，经数据处理得到声功率级SWL。

(2)混响水池标准球形声源空间平均声压级&lt;SPL&gt;的测量

a.设备布置及连接

按图2布置测试系统，按图3、图4、图5布置声源及水听器。Pulse发射模块与功率放大器相连，功率放大器与标准球形声源相连；128水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是BNC连接头。

b.测试准备

打开位于Pulse模块上的信号发生器，功率放大器，128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准。

c.测试

使声源发射400Hz-20kHz的宽带白噪声信号，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为51.2kHz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级&lt;SPL&gt;。

(3)混响水池壁面平均吸声系数的获得

根据(1)、(2)中获得的标准球形声源辐射声功率级SWL及混响水池标准球形声源空间平均声压级&lt;SPL&gt;，按式(14)求得混响水池壁面的平均吸声系数结果如图7所示。

Claims (4)

1.一种混响水池壁面平均吸声系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量标准球形声源辐射声功率级SWL；

(2)测量混响水池标准球形声源空间平均声压级&lt;SPL&gt;；

(3)测量混响水池壁面平均吸声系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量标准球形声源辐射声功率级SWL，包括：

(1)布置和连接设备在消声水池中布置声源及标准水听器及其它测试系统，声源与水听器相距1m，信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与标准球形声源相连，标准水听器与多通道测试系统相连，多通道测试系统与标准水听器连接采用的是BNC连接头；

(2)测试准备打开信号发生器，功率放大器，多通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对水听器进行灵敏度校准；

(3)测试功率放大器稳定工作3分钟后，使声源发射500Hz-20kHz的宽带白噪声信号，采用多通道测试系统采集90秒数据，采样率为51.2kHz，测量距声源1m处的声压级，经数据处理得到声功率级SWL。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量混响水池标准球形声源空间平均声压级&lt;SPL&gt;，包括：

(1)布置测试系统与水听器，128路水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是BNC连接头；

(2)打开128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准；

(3)打开水泵，使管路系统工作，稳定工作3分钟后，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为51.2kHz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级&lt;SPL&gt;。

4.根据权利要求1所述的的方法，其特征在于，所述测量混响水池壁面平均吸声系数，包括：

(1)只考虑斜向波，体积为V的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：

单位带宽内的简正波数为：

简正波共振峰的平均半功率带宽为：

其中，为水箱的平均阻尼常数，由此，简正波共振峰的平均半功率带宽取决于水箱的吸收系数；

其中，T₆₀为混响时间；

混响水池混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽，根据Schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件表示为：

由此求得：

其中，c₀为声波在水中的传播速度，T₆₀为混响时间，混响水池的体积为V；

(2)混响水池混响时间T₆₀的测量；

混响时间的测量采用中断声源法，由PULSE动态信号分析仪中的信号源产生的白噪声信号经功率放大器放大后加到发射换能器，水听器收到的信号经测量放大器放大后再送入到PULSE动态信号分析仪便得到1/3倍频程带宽内的混响时间，系统采用自动触发方式，当声源停止发射后，被测信号下降5dB时系统自动开始记录，然后根据采集的数据计算出混响时间；

混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差，为减少重复偏差，每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面不小于1.5米，声源及水听器取10点进行空间平均；

(3)获得混响水池壁面的平均吸声系数

在混响水池中当声源辐射时，水池内部声能由直达声能与混响声能两部分组成，假设无指向性声源的平均辐射声功率为则得到直达声平均声能密度以及稳态混响平均声能密度分别为：

其中，R为混响水池常数，S为混响水池壁面的总面积，为混响水池壁面的平均吸声系数；

由于直达声与混响声是不相干的，则他们在空间的叠加为能量密度叠加，这时混响水池内声场的总平均能量密度应为：

同时考虑到得到：

上式的另一种写法：

若取1/(4πr²)＝4/R，则混响半径为：

在此距离上，直达声与混响声大小相等，当r＞r_h时，混响声起主要作用；当r＜r_h时，直达声起主要作用，当r＞2r_h时，混响声比直达声大很多，此时混响水池中的声以混响声为主，直达声应忽略；定义此区域为混响控制区，则在混响水池的混响控制区测得的空间平均声压级与声源的辐射声功率级有如下关系：

由上式推出：

其中，这样测得了SWL及&lt;SPL&gt;，根据上式计算混响水池满足混响场条件相应频段的壁面平均吸声系数