CN110530510B - 一种利用线性声阵列波束形成的声源辐射声功率测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种利用线性声阵列波束形成的声源辐射声功率测量方法，首先选择间距为声源辐射频点对应半波长的传声器线阵置于正对着待测声源区域的测量位置处，采集待测声源的辐射声压信号；对声压信号进行波束形成，得到波束形成空间谱；将波束形成空间谱与转化因子α相乘得到转化后的空间谱；再将转化后得到的空间谱在主瓣区域进行积分计算，从而得到声源辐射声功率。本发明不受稳态工况的限制，不需要布置大量的测点，也不需要进行测量网格面的划分，操作简便、测试时间短，效率高，重复性好，测量结果准确可靠，测试成本低，并且能够对测量区域存在多声源的条件下得到其中的每个声源的辐射声功率，能够快速适用于不同的工程问题进行现场测量。

Description

一种利用线性声阵列波束形成的声源辐射声功率测量方法
技术领域
本发明涉及声源辐射声功率测量技术领域，具体为一种利用线性声阵列波束形成的声源辐射声功率测量方法。
背景技术
声功率作为对噪声源辐射强度与特性的定量描述，是评价降噪效果的重要参量，也是声源识别的主要内容。因此，声功率的准确测量具有十分重要的意义。传统的声功率测量方法如声压法(GB/T 6882-2016等)，声强法(GB/T 16404-1996等)，虽然能够获得目标声源的辐射声功率，但是存在诸多弊端。
声强法是通过声强探头直接进行噪声源近场数据的测量，需要进行测量面的网格划分。虽然能够获得声源的声强数据从而计算出相应的辐射声功率，但是往往需要大量的时间进行测试，并且费用高昂，仅适合在稳态工况下进行等等，这些不足使得声强法在实际工程应用中会受到很大的制约。
声压法是指通过测量声压值获取声功率的测量方法，可以分为自由场和混响场法两类。混响场法则是把噪声源放在混响室内，通过测得室内平均声压级和混响时间，结合声功率与声压级以及混响室的吸声量的换算关系，来计算噪声源的辐射声功率。由于混响法对测量环境的要求限制，使得该方法难以应用于实际工程中的现场测量。自由场测试原理基本上是通过测量声场中所划分测点处的声压级，结合对应的声压与声功率的关系，将测试的声压级结果换算成声功率级。当声源具有指向性时，需要在声源远场处的假想球面上测出多点的声压级，需要在空间布置大量的测点，在实际工程应用的现场测量中，测点的选取也会受到测量条件的限制，操作复杂，测量繁琐，工作量大。
无论是声压法还是声强法在测量区域存在多声源的情况下，只能测量出该区域总声功率，并不能得到该区域其中每个声源单独的辐射声功率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种利用线性传声器阵列波束形成方法对测量区域的声源进行测试来获得声源的辐射声功率的方法，简单易行，重复性好，方便效率，大大减少了测试工作量，并且能够在多声源条件下获得其中每个声源的辐射声功率，能够更好地用于实际的工程应用。
本发明的技术方案为：
所述一种利用线性声阵列波束形成的声源辐射声功率测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据声源的辐射频谱特性，选择间距为声源辐射频点对应半波长的传声器线阵；然后将传声器线阵置于正对着待测声源区域的测量位置处，采集待测声源的辐射声压信号；
步骤2：将步骤1中传声器线阵所采集到的声压信号进行波束形成，得到波束形成空间谱；然后将波束形成空间谱与转化因子α相乘得到转化后的空间谱；再将转化后得到的空间谱在主瓣区域进行积分计算，从而得到声源辐射声功率；其中转化因子α根据公式
Figure BDA0002213657780000021
计算，L为传声器线阵与声源的法向距离，ρ0为空气密度，c0为空气声速，k为波数，λ为声源辐射频点对应波长，M为阵元个数，d为阵元间距，R1为主瓣区域的主瓣圆半径，根据公式
Figure BDA0002213657780000022
计算得到。
进一步的优选方案，所述一种利用线性声阵列波束形成的声源辐射声功率测量方法，其特征在于：当声源为宽带声源时，对宽带声源频带范围内各频点分别按照步骤1和步骤2的过程进行计算，得到宽带声源各个频点处的辐射声功率的计算结果，将这些计算结果叠加得到宽带声源的声功率结果。
有益效果
本发明所提供的声功率测量方法不受稳态工况的限制，不需要布置大量的测点，也不需要进行测量网格面的划分，操作简便、测试时间短，效率高，重复性好，测量结果准确可靠，测试成本低，并且能够对测量区域存在多声源的条件下得到其中的每个声源的辐射声功率，能够快速适用于不同的工程问题进行现场测量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1本发明的流程图；
图2测量系统示意图；
图3实施例中声源1的测量结果对比；
图4实施例声源2的测量结果对比。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明中利用线性声阵列波束形成的声源辐射声功率测量方法，包括以下步骤：
步骤1：根据声源的辐射频谱特性，选择间距为声源辐射频点对应半波长的传声器线阵；然后将传声器线阵置于正对着待测声源区域的测量位置处，采集待测声源的辐射声压信号。
步骤2：将步骤1中传声器线阵所采集到的声压信号进行波束形成，得到波束输出结果即波束形成空间谱。
同时通过理论推导单极子点声源的辐射声功率与波束输出结果之间的换算关系建立起声源辐射声功率的计算模型：
积分的主瓣圆半径可以由式(1)计算得到，令阵列的波束输出结果经转化后在主瓣区域的积分结果与单极子理论计算的点声源辐射声功率值相等，得到波束输出结果与声源辐射声功率的转化因子α如式(2)。
Figure BDA0002213657780000031
Figure BDA0002213657780000041
其中L为传声器线阵与声源的法向距离，ρ0为空气密度，c0为空气声速，k为波数，λ为声源辐射频点对应波长，M为阵元个数，d为阵元间距，R1为主瓣区域的主瓣圆半径。
这样在实际测试中根据相应的阵列参数，测试距离，频谱等信息，确定积分主瓣圆半径以及计算相应的转化因子。
然后将波束形成空间谱与转化因子α相乘得到转化后的空间谱；再将转化后得到的空间谱在主瓣区域进行积分计算，从而得到声源辐射声功率。
当声源为宽带声源时，对宽带声源频带范围内各频点分别按照步骤1和步骤2的过程进行计算，得到宽带声源各个频点处的辐射声功率的计算结果，将这些计算结果叠加得到宽带声源的声功率结果。
下面以消声室中利用传声器阵列波束形成对双声源的辐射声功率测量为例，对本发明做详细说明。
(1)如图2所示，发射信号经由功率放大器B&K2716固定增益后加载到扬声器上发声，B&K3560配合PULSE软件进行数据的采集。声源1置于正对阵列中心位置，声源2偏离约0.6m，声源到阵列的测试距离约为1.8m。
(2)声源1发射单频信号，声源2发射宽带信号，通过各阵元接收的声信号数据，分别进行波束形成得到各自相应的空间谱，从而确定声源的位置，然后按照波束输出结果与声源辐射声功率的换算关系，分别计算出两声源在阵列侧的辐射声功率。
(3)利用声压法测量声功率，分别获得两声源单独发声时的辐射声功率，并作为对比参考值。对比结果如图3，图4所示。
结果分析：采用本发明提供的利用线性声阵列波束形成来计算声源辐射声功率方法，在消声室中对两位置处声源的声源辐射声功率计算结果与在声压法测量结果都能极好的吻合，偏差小于2dB，因此采用本发明提供的方法进行声源辐射声功率的测量是可信的。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种利用线性声阵列波束形成的声源辐射声功率测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据声源的辐射频谱特性，选择间距为声源辐射频点对应半波长的传声器线阵；然后将传声器线阵置于正对着待测声源区域的测量位置处，采集待测声源的辐射声压信号；
步骤2：将步骤1中传声器线阵所采集到的声压信号进行波束形成，得到波束形成空间谱；然后将波束形成空间谱与转化因子α相乘得到转化后的空间谱；再将转化后得到的空间谱在主瓣区域进行积分计算，从而得到声源辐射声功率；其中转化因子α根据公式
Figure FDA0002778385220000011
计算，L为传声器线阵与声源的法向距离，ρ0为空气密度，c0为空气声速，k为波数，λ为声源辐射频点对应波长，M为阵元个数，d为阵元间距，R1为主瓣区域的主瓣圆半径，根据公式
Figure FDA0002778385220000012
计算得到；
当声源为宽带声源时，对宽带声源频带范围内各频点分别按照步骤1和步骤2的过程进行计算，得到宽带声源各个频点处的辐射声功率的计算结果，将这些计算结果叠加得到宽带声源的声功率结果。
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