CN109916609B - 一种组合声源噪声信号的修正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字信号处理技术领域，公开了一种组合声源噪声信号的修正方法及装置，方法包括：通过阻抗管测量过渡连接管的声阻抗；根据过渡连接管的传递矩阵修正组合声源系统的噪声信号；其中，组合声源系统包括低频扬声器、中频扬声器。装置包括：组合声源系统、过渡连接管、阻抗管；组合声源系统通过过渡连接管垂直布置在阻抗管上。本发明解决了现有消声器传递损失测试台架噪声信号的工作频率范围无法覆盖整个测试频段的问题，能够输出宽频带、高声压级且平稳波动的噪声信号。

Description

一种组合声源噪声信号的修正方法及装置

技术领域

本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种组合声源噪声信号的修正方法及装置。

背景技术

消声器声学试验台架是研究消声元件声学性能的基础手段。声源系统作为消声器声学性能试验装置的主要激励源，是保证测试数据准确性的基础。

在试验中，声源系统除了要保证良好的密封性和较低的环境噪声外，还应该具有良好的声学特性，例如较好的频率响应、较高的信噪比、较宽的测试频段和保持线性时不变系统的能力等。因此设计满足声学性能要求并保证在较宽频带范围内都有稳定噪声信号输出的声源系统对测试准确性至关重要。

此外，在国内外传统消声器综合声学性能试验台架设计过程中，通常选用单一种类扬声器，并利用不同结构设计的过渡连接管与声源系统连接，导致过渡连接管的声阻抗发生变化，对输出的声学信号造成干扰，使得最终输出的噪声信号频带较窄且频谱特性随机波动，无法保证测量数据的精准性。

而且，消声器综合性能试验台架利用风机系统和加热系统真实模拟高温高速气流环境下的测试工况，所引起的机械及空气动力噪声呈现阶次及宽频特性，在低频部分内声压级较高，造成测试管道内的信噪比较低，单频扬声器发出的噪声信号在测试频率范围内必须与风机噪声相差10dB以上，才能忽略背景噪声的影响，但由于单频扬声器的物理特性，往往无法实现宽频带高声压级的噪声信号。

目前，对于不同工况下，噪声干扰和修正的研究也有相关文献研究。例如，设计“Y”形结构的单旁边支声源系统并以快速正弦扫频信号作为激励，实现在有流条件下以时间平均瞬时测试技术计算消声器的传递矩阵，但因单一种类声源特性，其测试频率局限于1000Hz。例如，利用低中频扬声器组合的方式，并通过高阶参数均衡算法，对输出的声信号进行均衡处理，基本满足台架对声音信号要求，但需分频段滤波，操作繁琐。

发明内容

本申请实施例通过提供一种组合声源噪声信号的修正方法及装置，解决了现有消声器传递损失测试台架噪声信号的工作频率范围无法覆盖整个测试频段的问题。

本申请实施例提供一种组合声源噪声信号的修正方法，包括：

通过阻抗管测量过渡连接管的声阻抗；

根据所述过渡连接管的传递矩阵修正组合声源系统的噪声信号；

其中，所述组合声源系统包括低频扬声器、中频扬声器。

优选的，所述根据所述过渡连接管的传递矩阵修正组合声源系统的噪声信号为：

以随机白噪声为激励源，以所述激励源输出的过渡连接管的管口噪声作为输出声压信号，根据所述过渡连接管的传递矩阵以及所述输出声压信号，得到组合声源系统的输入声压信号；

将所述输入声压信号通过逆傅里叶变换转化为音频信号，并将所述音频信号作为所述组合声源系统的输入噪声信号。

优选的，所述通过阻抗管测量过渡连接管的声阻抗包括：

利用四传感器声波分解法采集所述阻抗管上不同位置的声压；

采用传递函数法代替传感器采集到的声压信号，获得所述过渡连接管截面处的反射系数R(x,f)，所述过渡连接管截面处的声阻抗定义为：

式中，Z₀(x,f)为所述过渡连接管的管道内的特性阻抗。

优选的，所述根据所述过渡连接管的传递矩阵修正组合声源系统的噪声信号包括：

所述过渡连接管为等截面直管道结构时，将所述过渡连接管的四级参数表示为：

式中，L为所述过渡连接管的长度，S为所述过渡连接管的截面积，c为声速；

将所述组合声源系统作为输入端，将所述过渡连接管的管口作为输出端，利用上式进行噪声源信号修正，其表达式如下：

式中，P_r为所述过渡连接管的管口经过傅里叶变换后的理想输出声压，以随机白噪声输出的管口噪声为参考；Z_r为所述过渡连接管的管口的辐射声阻抗；Z_l为利用四传感器声波分解法求得的所述组合声源系统和所述过渡连接管连接处的声阻抗；P_l为所述组合声源系统的输入声压；A、B、C、D为所述过渡连接管的四级参数。

另一方面，本申请实施例提供一种组合声源噪声信号的修正装置，用于实现上述的组合声源噪声信号的修正方法，装置包括：组合声源系统、过渡连接管、阻抗管；所述组合声源系统通过所述过渡连接管垂直布置在所述阻抗管上。

优选的，所述组合声源噪声信号的修正装置还包括：传声器；所述传声器安装在所述阻抗管的管壁上。

优选的，所述组合声源噪声信号的修正装置还包括：计算机、信号发生器、功率放大器、噪声源；

所述计算机与所述信号发生器连接，所述信号发生器与所述功率放大器连接，所述功率放大器与所述噪声源连接，所述噪声源与所述阻抗管连接。

优选的，所述组合声源噪声信号的修正装置还包括：数据采集卡；所述数据采集卡分别与所述传声器、所述计算机连接。

优选的，所述组合声源系统通过卡箍安装在所述阻抗管上。

优选的，所述组合声源系统采用过渡锥管将低频扬声器与中频扬声器相连。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，选定了低频扬声器和中频扬声器组合而成的声源系统，利用过渡连接管与阻抗管垂直连接的方式，将阻抗管和组合声源系统连接起来，以组合声源系统作为输入端，以过渡连接管的管口噪声作为输出端，运用四传感器法测量过渡连接管声阻抗，再根据过渡连接管传递矩阵对组合声源系统进行声学补偿，实现输出宽频带、高声压级且平稳波动的噪声信号。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种组合声源噪声信号的修正装置中组合声源系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种组合声源噪声信号的修正方法中通过阻抗管测量过渡连接管的声阻抗的布置图；

图3为噪声信号修正前的过渡连接管的管口噪声频谱图；

图4为噪声信号修正后的过渡连接管的管口噪声频谱图；

图5为噪声信号修正前后扩张腔体传递损失对比图。

其中，1-低频扬声器、2-中频扬声器、3-过渡连接管的管口、4-过渡连接管、5-阻抗管、6-传声器、7-卡箍、8-噪声源、9-功率放大器、10-信号发生器、11-计算机、12-数据采集卡。

具体实施方式

本发明针对低频和中频两种声源组合发出的噪声信号提供一种修正方法及装置，向消声器综合性能测试台架提供宽频带、高声压级且平稳波动的噪声信号。

本发明利用阻抗管测量过渡连接管的声阻抗，根据过渡连接管的传递矩阵，以随机白噪声为激励源输出的管口噪声作为输出声压信号，得到组合声源系统的输入声压信号，消除因过渡连接管与组合声源系统连接处声阻抗变化导致输出的噪声信号频谱特性随机波动的问题，再将得到输入声压信号通过逆傅里叶变换转化为相应的音频信号，作为组合声源系统的噪声信号。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种组合声源噪声信号的修正装置，如图1、图2所示，包括：组合声源系统、过渡连接管4、阻抗管5、传声器6、噪声源8、功率放大器9、信号发生器10、计算机11、数据采集卡12。

其中，所述组合声源系统包括低频扬声器1、中频扬声器2。所述组合声源系统通过所述过渡连接管4布置在所述阻抗管5上。

所述传声器6安装在所述阻抗管5的管壁上；所述计算机11与所述信号发生器10连接，所述信号发生器10与所述功率放大器9连接，所述功率放大器9与所述噪声源8连接，所述噪声源8与所述阻抗管5连接，所述数据采集卡12分别与所述传声器6、所述计算机11连接。

具体的，所述组合声源系统利用过渡连接管通过卡箍7安装在所述阻抗管5上。所述组合声源系统采用过渡锥管将示所述低频扬声器1与所述中频扬声器2相连。

利用上述装置，本申请实施例提供一种组合声源噪声信号的修正方法，主要包括以下步骤：

(1)通过阻抗管测量过渡连接管的声阻抗。

利用四传感器声波分解法采集所述阻抗管上不同位置的声压；采用传递函数法代替传感器采集到的声压信号，获得所述过渡连接管截面处的反射系数，根据反射系数得到所述过渡连接管截面处的声阻抗。

具体的，提取过渡连接管截面声阻抗的过程如下：

将所述组合声源系统通过所述过渡直管布置在所述阻抗管上，利用四传感器声波分解法采集所述阻抗管上不同位置的声压，在后处理中，用传递函数法代替传感器采集到的声压信号，求得所述过渡连接管与组合声源系统连接处的反射系数R(x,f)，所述过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗定义为：

式中，Z₀(x,f)为所述过渡连接管的管道内的特性阻抗。

(2)根据所述过渡连接管的传递矩阵修正组合声源系统的噪声信号。

以随机白噪声为激励源，以所述激励源输出的过渡连接管的管口噪声作为输出声压信号，根据所述过渡连接管的传递矩阵以及所述输出声压信号，得到组合声源系统的输入声压信号；将所述输入声压信号通过逆傅里叶变换转化为音频信号，并将所述音频信号作为所述组合声源系统的输入噪声信号。

具体的，基于过渡连接管传递矩阵修正噪声信号的计算过程如下：

所述过渡连接管为等截面直管道结构时，将所述过渡连接管的四级参数表示为：

式中，L为所述过渡连接管的长度，S为所述过渡连接管的截面积，c为声速；

将所述组合声源系统作为输入端，将所述过渡连接管的管口作为输出端，利用上式进行噪声源信号修正，其表达式如下：

式中，P_r为所述过渡连接管的管口经过傅里叶变换后的理想输出声压，以随机白噪声输出的管口噪声为参考；Z_r为所述过渡连接管的管口的辐射声阻抗；Z_l为利用四传感器声波分解法求得的所述组合声源系统和所述过渡连接管连接处的声阻抗；P_l为所述组合声源系统的输入声压；A、B、C、D为所述过渡连接管的四级参数。

下面对本发明做进一步的说明。

如图1所示，所述组合声源系统由所述低频扬声器1和所述中频扬声器2组成，并通过所述过渡连接管4连接输出噪声信号。其中，所述低频扬声器1的工作频率范围在1000Hz以下，所述中频扬声器2的工作频率在500-8000Hz范围内。组合声源系统可采用过渡锥管将体积较大的所述低频扬声器1和所述中频扬声器2相连。旁支式声源的结构简单，传声损失曲线变化平稳，传声效果优于直通式声源。

如图2所示，将所述组合声源系统通过卡箍7安装在阻抗管5上，为提取所述过渡连接管4与组合声源系统连接处的表面声阻抗，由所述计算机11控制所述信号发生器10输出噪声信号，并经由所述功率放大器9进行噪声信号放大，最后由所述噪声源8发出满足试验要求的白噪声信号。所述传声器6安装在所述阻抗管5的管壁上，并与所述阻抗管5的管道内壁面齐平。所述阻抗管5的管道内的声学信号由所述传声器6经电荷放大器放大后，传输给所述数据采集卡12并由所述计算机11进行分析和存储。

分别将所述传感器6采集到的声压信号输入至所述计算机11，并进行傅里叶变换，得到所述过渡连接管与组合声源系统连接处的反射系数为R(x,f)，并定义所述过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗为：

式中，Z₀(x,f)为所述过渡连接管4的管道内的特性阻抗。

根据等截面直管道的四级参数：

式中，L为等截面直管道的长度，S为管道的截面积，c为声速。

利用所述卡箍7将所述组合声源系统和所述阻抗管5连接起来，以所述组合声源系统作为输入端，所述管口3处的噪声作为输出端，整个连接结构可当作等截面管道系统，可利用上式进行噪声源信号修正，其表达式如下：

式中，P_r为所述管口3经过傅里叶变换后的理想输出声压，以随机白噪声输出的管口噪声为参考。Z_r为所述管口3的辐射声阻抗，由经验公式求得。Z_l为利用四传感器声波分解法求得的组合声源系统和过渡连接管连接处的声阻抗。P_l可上式求得，并作为所述组合声源系统的输入声压。其中，A、B、C、D是等截面管道的四级参数。

将修正后得到声压进行逆傅里叶变换并保存为音频信号，以此作为组合声源系统的输入噪声信号。

为了验证本发明提出的组合声源测试噪声信号的修正方法的正确性，将修正前后得到的音频信号作为组合声源系统的噪声输入，测量所述管口3处的噪声和扩张腔的传递损失。

如图3和图4所示，未经修正的组合声源系统输出的噪声信号因过渡连接管阻抗的变化，反射波对组合噪声信号造成了干扰，导致输出的声信号的频谱特性不均匀，其声压级随频率的波动较大，频响曲线呈现非周期波动。利用本发明提出的组合声源测试噪声信号的修正方法得到的输出噪声信号声压级在测试频段范围内波动较为平坦，功率分布均匀，验证了本发明的正确性，未经修正的噪声信号无法满足宽频带、高声压级要求，经本发明修正后的组合声源系统的测试噪声信号能实现在较宽的测试频率范围平稳波动，满足试验测试的需求。

如图5所示，以未经修正的组合声源测试噪声信号作为消声器综合性能测试的激励源，利用两负载法测量扩张腔的传递损失，最终得到的传递损失曲线出现非周期震荡，与实际值相差较大。以本发明提出的合声源传递损失测试噪声信号的修正方法得到的噪声信号作为消声器综合性能测试的激励源，得到扩张腔的传递损失曲线与理论值吻合，消除了由阻抗变化所引起的误差，为本发明的进一步运用提供了重要参考依据。

综上，本发明在现有的四传感器声波分解法测量原理和试验设备的基础上，测量过渡连接管声阻抗，根据过渡连接管传递矩阵，以随机白噪声为激励源输出的管口噪声作为输出声压信号，得到组合声源系统的输入声压信号，再将得到输入声压信号通过逆傅里叶变换转化为相应的音频信号并保存，作为最终组合声源系统的噪声信号，消除由过渡连接管与组合声源系统连接处声阻抗变化导致输出噪声信号的频谱特性随机波动的问题，实现对组合声源测试噪声信号的修正，输出宽频带、高声压级且平稳波动的噪声信号。修正后的组合声源系统具有足够高的信噪比，输出噪声信号在测试频率范围内的声能量至少大于消声器最大消声量15dB。

本发明提出的组合声源噪声信号的修正方法，有效地消除了过渡连接管布置方式对声信号的衰减和信号之间的相互干扰，实现在较宽测试频率范围内有平稳的高声压级的噪声信号的输出，解决了现有消声器传递损失测试台架噪声信号的工作频率范围无法覆盖整个测试频段的难题。

本发明实施例提供的一种组合声源噪声信号的修正方法及装置至少包括如下技术效果：

(1)传统的消声器性能试验台架大多采用单一的扬声器发声，在有流的工况下，为忽略背景噪声的影响，声源系统的输出的噪声信号必须满足宽频带高声压级，但由于单频扬声器的物理特性，往往无法实现。本发明提出的一种组合声源测试噪声信号的修正方法，通过在现有的四传感器声波分解法测量原理和实验设备的基础上，测量过渡连接管声阻抗，根据过渡连接管传递矩阵，以随机白噪声为激励源输出的管口噪声作为输出声压信号，得到组合声源系统的输入声压信号，既能消除过渡连接管与组合声源系统连接处声阻抗变化导致输出的噪声信号频谱特性随机波动的问题，又能有效地消除了过渡连接管布置方式对声信号的衰减和信号之间的相互干扰，实现在较宽测试频率范围内平稳高声压级的噪声信号的输出，解决了现有消声器传递损失测试台架噪声信号的工作频率范围无法覆盖整个测试频段的难题。

(2)本发明提出的组合声源测试噪声信号的修正方法与其他的修正方法(例如，高阶参数均衡法)相比，实验操作简单，修正效果更优，能够有效地降低连接管道对声学信号的衰减，保证测试精度。

(3)本发明提出的组合声源测试噪声信号的修正方法适用范围广、简单快捷、灵活性强，保证了消声器的性能测试台架声源系统的可靠性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而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 (3)

1.一种组合声源噪声信号的修正方法，其特征在于，包括：

步骤1、组合声源系统包括低频扬声器、中频扬声器，低频扬声器与过渡连接管一端连接，中频扬声器垂直连接于过渡连接管，用于向消声器综合性能测试台架提供噪声信号；

将过渡连接管的另一端与阻抗管、噪声源依次连接，过渡连接管的管口表示过渡连接管与阻抗管连接处过渡连接管的管口；

步骤2、通过阻抗管测量过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗；

所述过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗定义为：

式中，Z₀(x,f)为所述过渡连接管的管道内的特性阻抗，R(x,f)为所述过渡连接管与组合声源系统连接处的反射系数；

步骤3、根据所述过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗，利用所述过渡连接管的传递矩阵修正组合声源系统的噪声信号；

以随机白噪声为激励源，以所述激励源输出的过渡连接管的管口噪声作为输出声压信号，根据所述过渡连接管的传递矩阵、过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗以及所述输出声压信号，得到组合声源系统的输入声压信号；

将所述输入声压信号通过逆傅里叶变换转化为音频信号，并将所述音频信号作为所述组合声源系统的输入噪声信号。

2.根据权利要求1所述的组合声源噪声信号的修正方法，其特征在于，所述通过阻抗管测量过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗包括：

利用四传感器声波分解法采集所述阻抗管上不同位置的声压；

采用传递函数法代替传感器采集到的声压信号，获得所述过渡连接管与组合声源系统连接处的反射系数R(x,f)，根据所述过渡连接管与组合声源系统连接处的反射系数R(x,f)、所述过渡连接管的管道内的特性阻抗Z₀(x,f)获得所述过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗Z_l(x,f)。

3.根据权利要求2所述的组合声源噪声信号的修正方法，其特征在于，所述根据所述过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗，利用所述过渡连接管的传递矩阵修正组合声源系统的噪声信号包括：

所述过渡连接管为等截面直管道结构时，将所述过渡连接管的四级参数表示为：

式中，L为所述过渡连接管的长度，S为所述过渡连接管的截面积，c为声速；

将所述组合声源系统作为输入端，将所述过渡连接管的管口作为输出端，利用上式进行噪声源信号修正，其表达式如下：

式中，P_r为所述过渡连接管的管口经过傅里叶变换后的理想输出声压，以随机白噪声输出的管口噪声为参考；Z_r为所述过渡连接管的管口的辐射声阻抗，由经验公式求得；Z_l为所述过渡连接管与组合声源系统连接处的声阻抗；P_l为所述组合声源系统的输入声压；A、B、C、D为所述过渡连接管的四级参数。

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