CN109379687B - 一种线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，包括下述步骤：在消声室环境下测量得到短线阵列扬声器系统各垂直指向角的脉冲响应数据，然后截取该脉冲响应数据的主要部分，再将n(n>1且为正整数)个短线阵列排列成长线阵列，根据各短线阵列辐射声波的时间差，对多个短线阵列的脉冲响应进行移位并线性叠加，得到长度是其整数倍的长线阵列扬声器系统的脉冲响应，并计算各频段的垂直指向性数据。本发明方法克服了现有测量方法中测量环境难以得到广泛认可，资金和时间成本高的缺点，测量精度高、效率高，并且消声室的空间环境能得到充分的利用。
Description
技术领域
本发明涉及声波的测量技术领域，具体地说是涉及一种线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法。
背景技术
近年来，线阵列扬声器的研发和生产已在专业音响行业中占据着主导地位，在大型场馆的现场扩声中得到了广泛的应用。垂直指向性是线阵列扬声器性能品质的其中一个最重要的方面，但是目前对其的测量还没有一个统一的标准。线阵列扬声器系统的垂直指向性必须在自由场条件下的远场区域进行测量。但根据线阵列远场近场临界点公式：d＝1.5*F*l2(其中F为辐射声波频率，单位kHz；l为短线阵列长度，单位m)，远场距离跟频率和长度的平方成正比。例如，长度2m的线阵列扬声器系统，若要测量其频率8kHz以上的垂直指向性，则其远场区域达到48m之远，大大超出一般近似自由场的空间环境(例如消声室)的尺度。
JBL和Meyer Sound公司一般采用户外模拟自由场的方法进行测量，前者通过把待测线阵列扬声器系统放置在圆形凹槽场地中央的方法，后者采用建造支撑系统抬高待测线阵列扬声器系统的方法，来减小地面反射对测量的影响。但是，户外测量有如下缺点：
第一、气象条件复杂多变，温度、湿度、风向等因素可能对测量结果有影响；
第二、户外测量对场地要求高，必须足够空旷，无障碍物反射影响，本底噪声也必须足够低；
第三、场地布置，测量装置建造，测量仪器、器材以及线阵列扬声器运输等成本高，耗时量大。
其中，第一、第二点使测量环境难以得到广泛认可，第三点则会增加企业的资金和时间成本，不利于产品的开发和性能检测。
还有文献报道了一种大型室内空间测量法，如Engebretson et,al选取了一个空置的飞机棚，把8只扬声器组成的弯曲阵列放置于平地上测量其指向性，这种方法可大大减少户外气象条件的干扰，但不可忽略室内反射，测量环境同样难以获得广泛认可。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，基于在消声室环境下测量得到的短线阵扬声器系统各垂直指向角的脉冲响应数据，推算得到长度是其整数倍的长线阵列扬声器系统各频段的垂直指向性数据，该方法测量精度高、效率高，并且消声室的空间环境能得到充分的利用。
为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：
一种线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，包下述步骤：
步骤一、基于消声室测量短线阵列扬声器系统的脉冲响应：
在消声室环境下测量得到短线阵列扬声器系统不同垂直指向角的脉冲响应；所述垂直指向角为线阵列扬声器参考轴和测量轴之间的夹角；
步骤二、推算长线阵列扬声器系统的垂直指向性：
首先截取短线阵列扬声器系统每个脉冲响应文件中的前沿瞬态时间和后沿瞬态时间；然后根据截取的脉冲响应，计算n个短线阵列排列成长线阵列后，各短线阵列辐射声波之间在各垂直指向角的时间差Δt；接着，将各短线阵列所截取的脉冲响应进行10倍以上的升采样处理；进而根据所得到的时间差Δt和升采样处理的脉冲响应采样频率，计算各短线阵列之间的采样单位差，接着对n个短线阵列同一垂直指向角的脉冲响应进行位移并线性叠加，得到长线阵列的脉冲响应；最后将长线阵列的脉冲响应进行傅里叶变换，并计算垂直指向性数值。
作为优选的技术方案，在步骤一中，所述消声室环境须满足的自由场条件为：在扬声器与测量中所用的传声器之间的声场区域内，从点声源到距离r处的声压按1/r的规律而减小，其误差不超过±10％。
作为优选的技术方案，在步骤一中，所述脉冲响应通过白噪声法、MLS法或扫频信号法测量获得，测量的具体要求如下：
(1)在扬声器和传声器之间声场的远场区域进行测量，远场区域为距离大于d＝1.5*F*l2的区域，其中F为辐射声波频率，单位kHz，其最高频率受消声室最大测量尺度L限制；l为短线阵列长度，单位m；
(2)测量的垂直指向角范围为0°～355°，角度分辨率≥5°。
作为优选的技术方案，步骤一中，测量得到的短线阵列扬声器系统脉冲响应以PCM编码格式的文件保存，采样频率至少为44.1kHz，幅度量化至少为16bit。
作为优选的技术方案，步骤二中，所述前沿瞬态时间为幅度由0到脉冲响应最高点的时间，所述后沿瞬态时间为脉冲响应的能量从初始值衰减到0.1％以下的时间；实际测量得到的脉冲响应文件为离散数字信号，通过
反向积分法对脉冲信号数值进行积分求得脉冲响应的能量衰减，具体公式如下：
其中s(t)为t时刻脉冲响应的能量，h(τ)为测量出来的脉冲响应函数。
作为优选的技术方案，步骤二中，n个短线阵列排列成长线阵列的方式为：各短线阵列扬声器箱体直线排列，相邻箱体的参考轴之间的夹角为0°。
作为优选的技术方案，计算各短线阵列辐射声波之间在各垂直指向角的时间差Δt，具体由各短线阵列达到传声器的声程差除以声速得到对应的时间差。
作为优选的技术方案，步骤二中，所述计算各短线阵列之间的采样单位差，记为ΔS，涉及的公式为ΔS＝N*Fs*Δt，其中N*Fs是N倍升采样处理后脉冲响应的采样频率。
作为优选的技术方案，步骤二中，所述将长线阵列的脉冲响应进行傅里叶变换，所述傅里叶变换采用离散傅里叶变换或快速傅里叶变换，然后由时域转换为频域，计算各垂直指向角的离散傅里叶变换或快速傅里叶变换各频段的方均根幅值并作为垂直指向性数值。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
本发明方法克服了现有测量方法中测量环境难以得到广泛认可，资金和时间成本高的缺点，测量精度高，效率高，并且消声室的空间环境能得到充分的利用。
首先，不同测量内容对消声室的吸声尖劈截止频率和本底噪声等测量环境因素都有规定，因此测量环境中是得到广泛认可的。
其次，应用声波干涉原理对线阵列各部分辐射声波进行线性叠加，可推算得到长线阵列的垂直指向性，比户外测量法和大型室内空间测量法更简单、快捷，避免了因场地布置，测量装置建造，测量仪器、器材以及线阵列扬声器运输等所带来的资金和时间成本的增加。
再次，消声室的造价高昂，费用按立方增加；而线阵列扬声器系统的垂直指向性必须在远场区域测量，其测量的最高频率和线长受到测量空间尺度的限制，因此，可充分利用消声室的空间尺度来得到尽可能高频率的数据，最大程度地体现了消声室在空间尺度上的价值。
附图说明
图1是本实施例的线阵列扬声器系统参考轴、测量轴和垂直指向角示意图。
图2是本实施例的某消声室测量线阵列扬声器系统垂直指向性的仪器和器材布置图。
图3是本实施例的线阵列扬声器系统脉冲响应波形示例。
图4是本实施例的推算长线阵列扬声器系统垂直指向性的示意图。
图5是本实施例的短线阵列脉冲响应线性叠加的示意图。
附图标号说明：1、线阵列扬声器系统；2、参考轴；3、测量轴；4、垂直指向角θ；5、线阵列样品及自动转台；6、传声器；7、消声室的吸声尖劈；8、消声室有效测量范围；9、前沿瞬态时间；10、后沿瞬态时间；11、短线阵列；12、短线阵列长度l(或相邻两短线阵列声中心距离)；13、相邻两短线阵列在垂直指向角θ方向的声程差Δr；14、相邻两短线阵列脉冲响应之间的采样单位差ΔS。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。
实施例
一种线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，具体步骤包括如下两部分：
第一部分，基于消声室测量短线阵列系统的脉冲响应：
消声室环境须满足自由场条件：在扬声器和测量中所用的传声器之间的声场所占据的区域内，从点声源到距离r处的声压按1/r的规律而减小，其误差不超过±10％。
如图1所示，短线阵列扬声器系统1的垂直指向性是在不同垂直指向角4的测量轴3方向上测量脉冲响应而获得，其中垂直指向角θ是线阵列扬声器参考轴2和测量轴3之间的夹角。脉冲响应可通过白噪声法、MLS法、扫频信号法获得，脉冲响应测量的具体要求如下：
(1)在扬声器和传声器之间声场的远场区域进行测量，远场区域为距离大于d＝1.5*F*l2的区域，其中F为辐射声波频率，单位kHz，其最高频率受消声室最大测量尺度L限制；l为短线阵列长度，单位m。
消声室最大测量尺度L为有效测量范围的对角线距离，有效测量范围由测量的最低频率决定，吸声尖劈和有效测量范围边缘之间的距离是测量的最低频率对应波长的1/4。同时，线阵列的回旋余地和吸声尖劈的截止频率也是考虑因素。因此，消声室的尺度、测量频率范围、线阵列长度和吸声尖劈四者是互相制约的，测量频率的高频上限由远场公式计算，低频下限受消声室的吸声尖劈限制。
如图2所示为某消声室测量线阵列扬声器系统垂直指向性的仪器和器材布置图，包括线阵列样品及自动转台5、传声器6、消声室的吸声尖劈7、以及消声室有效测量范围8。消声室的长宽尺寸为14.4m×12.4m，吸声尖劈的截止频率为100Hz。若线阵列长度1m左右，要求测量的最低频率为300Hz，则其对应的波长约0.86m，其1/4约0.3m，加上线阵列的回旋余地，可得到消声室最大测量尺度约16m，则测量的最高频率为10kHz。
(2)测量的垂直指向角范围为0°～355°，角度分辨率≥5°；
根据普通扬声器指向性测量标准AES56-2008，垂直指向性测量一般角度分辨率为5°，但线阵列扬声器系统的垂直指向性与普通扬声器有差异，在特殊情况下可提高角度分辨率，如指向性特别尖锐的情况。
按上述方法测量得到的短线阵列扬声器系统脉冲响应以PCM编码格式的文件保存，采样频率至少为44.1kHz，幅度量化至少为16bit。
第二部分，推算长线阵列扬声器系统的垂直指向性，包括如下步骤：
(1)截取短线阵列扬声器每个脉冲响应文件中的主要部分，以减小运算量，提高效率；如图3所示，脉冲响应的主要部分应包括前沿瞬态时间9，即幅度由0到脉冲响应最高点的时间，以及后沿瞬态时间10，即脉冲响应的能量从初始值衰减到0.1％(即下降了30dB)以下的时间；
实际测量得到的脉冲响应文件为离散数字信号，通过
反向积分法对脉冲信号数值进行积分求得脉冲响应的能量衰减，具体公式如下：
其中s(t)为t时刻脉冲响应的能量，h(τ)为测量出来的脉冲响应函数。
(2)根据截取脉冲响应的主要部分，计算n(n>1且为正整数)个短线阵列排列成长线阵列后，各短线阵列辐射声波之间在各垂直指向角的时间差，具体由各短线阵列达到传声器的声程差除以声速得到对应的时间差Δt。
如图4，相邻两短线阵列11的声程差13，记为Δr，Δr＝l*sinθ，其中l为短线阵列长度12，包括辐射面和无辐射部分(辐射单元的边缘、扬声器箱体外壳厚度、箱体之间间隙等)的长度。各短线阵列扬声器箱体直线排列，相邻箱体的参考轴之间的夹角为0°。相邻两短线阵列的时间差Δt＝Δr/c，其中c为声速，其具体数值与长线阵列扬声器系统使用场地的空气温度和湿度有关，可查表获得。
(3)脉冲响应升采样处理：为了提高高频相位差的计算精度，须对所截取的脉冲响应进行10倍以上的升采样处理。
下一步骤脉冲响应的线性叠加计算当中，脉冲响应的采样频率限制了相位差的精度，测量频率越高，相位差精度越差。例如，采样频率44.1kHz，测量的最高频率为10kHz，则时间差分辨率为1/44100s，相位差的分辨率
相位差精度较差。采样频率提高N倍，相位差分辨率相应提高N倍，按照音频采样频率范围和测量的声频率范围，对脉冲响应进行10倍以上升采样处理能使计算达到足够高的精度。
(4)如图5所示，脉冲响应的线性叠加：根据该部分的步骤(2)所得到的各短线阵列辐射声波之间在各垂直指向角的时间差和该部分的步骤(3)升采样处理后的脉冲响应采样频率，计算相邻两短线阵列脉冲响应之间采样单位差14，记为ΔS，ΔS＝N*Fs*Δt，其中N*Fs是N倍升采样处理后脉冲响应的采样频率。对n个同一垂直指向角的脉冲响应进行相应的移位后，进行线性叠加，得到长线阵列的脉冲响应计算结果。
(5)计算各频段垂直指向性数值：对上一步骤(4)所得到的长线阵列脉冲响应进行离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)，由时域转换为频域，计算各垂直指向角DFT或FFT各频段的方均根幅值并作为垂直指向性数值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (9)
1.一种线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，其特征在于，包下述步骤：
步骤一、基于消声室测量短线阵列扬声器系统的脉冲响应：
在消声室环境下测量得到短线阵列扬声器系统不同垂直指向角的脉冲响应；所述垂直指向角为线阵列扬声器参考轴和测量轴之间的夹角；
步骤二、推算长线阵列扬声器系统的垂直指向性：
首先截取短线阵列扬声器系统每个脉冲响应文件中的前沿瞬态时间和后沿瞬态时间；然后根据截取的脉冲响应，计算n个短线阵列排列成长线阵列后，各短线阵列辐射声波之间在各垂直指向角的时间差Δt；接着，将各短线阵列所截取的脉冲响应进行10倍以上的升采样处理；进而根据所得到的时间差Δt和升采样处理的脉冲响应采样频率，计算各短线阵列之间的采样单位差，接着对n个短线阵列同一垂直指向角的脉冲响应进行位移并线性叠加，得到长线阵列的脉冲响应；最后将长线阵列的脉冲响应进行傅里叶变换，并计算垂直指向性数值。
2.根据权利要求1所述的线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法,其特征在于，在步骤一中，所述消声室环境须满足的自由场条件为：在扬声器与测量中所用的传声器之间的声场区域内，从点声源到距离r处的声压按1/r的规律而减小，其误差不超过±10％。
3.根据权利要求1所述的线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，其特征在于，在步骤一中，所述脉冲响应通过白噪声法、MLS法或扫频信号法测量获得，测量的具体要求如下：
(1)在扬声器和传声器之间声场的远场区域进行测量，远场区域为距离大于d＝1.5*F*l2的区域，其中F为辐射声波频率，单位kHz，其最高频率受消声室最大测量尺度L限制；l为短线阵列长度，单位m；
(2)测量的垂直指向角范围为0°～355°，角度分辨率≥5°。
4.根据权利要求3所述的线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，其特征在于，步骤一中，测量得到的短线阵列扬声器系统脉冲响应以PCM编码格式的文件保存，采样频率至少为44.1kHz，幅度量化至少为16bit。
5.根据权利要求1所述的线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，其特征在于，步骤二中，所述前沿瞬态时间为幅度由0到脉冲响应最高点的时间，所述后沿瞬态时间为脉冲响应的能量从初始值衰减到0.1％以下的时间；实际测量得到的脉冲响应文件为离散数字信号，通过
反向积分法对脉冲信号数值进行积分求得脉冲响应的能量衰减，具体公式如下：
〈s2(t)>h＝∫t ∞h2(τ)dτ
其中s(t)为t时刻脉冲响应的能量，h(τ)为测量出来的脉冲响应函数。
6.根据权利要求1所述的线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，其特征在于，步骤二中，n个短线阵列排列成长线阵列的方式为：各短线阵列扬声器箱体直线排列，相邻箱体的参考轴之间的夹角为0°。
7.根据权利要求1所述的线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，其特征在于，计算各短线阵列辐射声波之间在各垂直指向角的时间差Δt，具体由各短线阵列达到传声器的声程差除以声速得到对应的时间差。
8.根据权利要求1所述的线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，其特征在于，步骤二中，所述计算各短线阵列之间的采样单位差，记为ΔS，涉及的公式为ΔS＝N*Fs*Δt，其中N*Fs是N倍升采样处理后脉冲响应的采样频率。
9.根据权利要求1所述的线阵列扬声器系统垂直指向性的测量和推算方法，其特征在于，步骤二中，所述将长线阵列的脉冲响应进行傅里叶变换，所述傅里叶变换采用离散傅里叶变换或快速傅里叶变换，然后由时域转换为频域，计算各垂直指向角的离散傅里叶变换或快速傅里叶变换各频段的方均根幅值并作为垂直指向性数值。
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