CN111998934B - 一种声源声功率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声源声功率测试方法，该方法包括下述步骤：(1)、在一个混响空间中，让声源设备正常运行，测量互易扬声器的开路电压；(2)驱动互易扬声器发声，测量互易扬声器的输入电流，同时将声源设备移除，在声源位置处放置传声器，获得传声器声压；(3)根据公式计算得到声源设备不同频率的声功率；(4)改变互易扬声器的位置，重复步骤1、2、3，并计算不同频率的声功率的多次测量平均值；(5)将不同频率下的声功率的平均值进行求和，获得声源设备总的声功率。该方法能基于电磁互易原理测量得到声源宽频带的声特性，且理论依据充分，系统搭建简单，特别适用于扬声器、变压器、电容器、风机等多种设备的声功率特性测试。

Description

一种声源声功率测试方法

技术领域

本发明属于声学测量领域，具体涉及一种声源声功率测试方法。

背景技术

基于互易原理可以在复杂声场环境中测量得到声源的低频特性(体积速度)，而不需要消声室、消声水池等造价昂贵的实验设施，因此具有极好的应用潜力。但是在测试中，传声器的指向性必须与声源的指向性必须完全一致。对于全指向性的点声源或者某些低频声源，传声器可以满足该条件；而对于复杂的声源，其指向性可能十分复杂，找到指向性与之相匹配的传声器几乎不可能。这意味着，基于互易原理测量声源特性仅适用于全指向性的点声源，因此适用范围有限。

对此，基于互易原理的测量声源的高频特性的简易计算方法尚未出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对互易原理测量声源体积速度，只能在低频有效的问题，提出了一种基于互易原理宽频带的声源声功率测试方法。该方法可以获得声源宽频带的声功率，扩展了基于互易原理的声源特性测量应用范围，使得该方法可应用到扬声器、变压器、电容器、风机等各种设备的噪声源特性测试。

为解决上述问题，本发明提供了一种声源声功率测试方法，在混响室中的互易扬声器和传声器满足电声互易条件，所述测试方法具体包含如下步骤：

步骤1：在所述混响室中，使声源设备正常运行发出噪声，测量互易扬声器的开路电压E；

步骤2：驱动互易扬声器发声，测量互易扬声器的输入电流I，同时将声源设备移除，在声源位置处放置传声器，获得传声器声压P₀；

步骤3：将开路电压E，输入电流I，声压P₀变换到频域，根据公式计算声功率随频率的分布：

其中，ρ表示介质密度，f表示频率，

为频率f下的开路电压E，

为频率f下的输入电流，c为声速；

步骤4：改变所述互易扬声器的位置，重复步骤1～3，计算多次试验的得到P_f的平均值

步骤5：根据步骤4得到的平均值

计算出全声源发声范围频率下的声源总的声功率P。

进一步的，所述步骤2中，驱动互易扬声器发声时，发声频率范围覆盖全部声源发声范围频率。

进一步的，所述步骤4中的多次试验为5次以上的实验。

进一步的，所述步骤5中，对所有频率f的声功率平均值

进行离散积分，得到声源总的声功率：

进一步的，在计算得到声功率P后，所述声功率P用于小型声源的噪音测试。

进一步的，在计算得到声功率P后，所述声功率P用于水下工作设备、扬声器、变压器、电容器或风机的噪声源特性测试。

此外，本发明还公开了一种声源声功率测试系统，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项的声源声功率测量方法。

此外，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的声源声功率测试方法。

本发明提出了一种声源声功率测试方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1)本发明为声源声功率测量提供了一种新的方法，利用一个强混响的空间，使用一个满足电声互易条件的互易扬声器、一个传声器，构建一套声源声功率测试系统，在该测试系统使用声源声功率测量方法后，可根据发明人推导出来的简易公式计算得到声源声功率。本发明的技术核心是，利用强混响空间、互易扬声器和传声器构成一个互易声场，并根据声场及电声互易理论分析得到声源声功率与各个物理量之间的关系，从而通过测量所需物理量快速准确的计算出的声源宽频带声功率。

2)此外，该方法能测量得到声源宽频带的声特性(声功率)，且该方法理论依据充分扎实，满足电声互易条件的测试系统搭建简单，计算方法简单且快速，能够依赖软件实现，特别适用于扬声器、变压器、电容器、风机等各种设备的噪声声功率特性测试。

附图说明

图1为本发明中声源声功率测试系统的模型示意图。

图2为本发明的利用电声互易原理测量声源辐射声功率的系统示意图。

图3为本发明的声源声功率测试方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明基于背景技术中提及的不易发现的技术问题和基于图1的理论推导，专门提供了一种声源声功率测试方法，该测试方法依赖于图2的(a)-(b)中所示的在强混响的空间中满足电声互易条件的互易扬声器和一个传声器构成的声源声功率测试系统，在该系统环境下进行图3所示的声源声功率测试方法后，根据声场及互易理论分析得到声源声功率与各个物理量之间的关系，从而通过测量所需物理量计算出声源宽频带的声功率，从而使得该声功率能够应用到工业噪声的监控场合。

首先，如图1所示，本发明声源声功率测试方法的的理论依据如下：

图1的(a)中，o点为坐标中心，弧线表示半径为a的波振面。假设在o点有一个声源，声源的均方体积速度为

那么在波振面上总的均方体积速度也会是

如果在波振面上，取面积为dS的面元(dS的维度远远小于波长)，那么面元的均方体积速度为U22dS/S。同样，若只在波振面上有总的均方体积速度是

的面声源，那么在o点处的声压为：

其中，ρ表示介质密度，f表示频率，P₀表示自由场声压。若面元均匀分布在波振面上，得到所有分布在波振面上的面元在o点处的总声压为：

该公式的意义如图1的(d)所示。由于

是均匀分布，尺寸远小于波振面半径a的o点的附近的区域可以认为是近似的扩散声场。

将一个不规则外形的声接收器放置在o点，如图1的(b)所示。在a足够大的情况下，可以认为声接收器被放置在一个扩散声场中。在面元

的作用下，声接收器的振膜处的受挡声压为

当声接收器变成声源时，如图1的(c)所示，如果其声源均方体积速度为

在面元dS处的声压为

此时，通过面元的声功率可以表示为：

如果整个系统是互易的，那么有：

变形得到：

将公式(5)代入公式(3)，消去

得到通过面元dS的声功率为：

对公式(6)积分得到通过波振面的总声功率为：

公式(7)即为声源声功率表达式，式中

物理意义是声接收器放置在一个均方声压为

的扩散声场中时，在声接收器的振膜处的受挡声压，如图1的(e)所示。

当声源具有指向性的时候，采用公式(7)进行实验，但是发明人发现在工作中实际上利用公式(7)进行实验几乎不可能，因为对于任意的声源，

和

很难直接测得，因为往往不规则的声源均方体积速度

的测量依往往需要激光测振仪测得，且

测得要求传声器的指向性必须与声源的指向性必须完全一致，这样的条件很难满足。但是发明人发现，基于互易原理，可以巧妙地解决这一问题，故本发明基于电声互易原理，将对未知声源的

和

的测量，转换为对辅助扬声器正向实验中开路电压E²和反向实验中输入电流I²的测量(由此可知本发明的技术问题发现和技术手段提出并不常规)。

在混响室中，利用一个辅助扬声器发声(输入电流的均方为I²)形成一个扩散声场。假设该声场的效果正好等效于图1的(e)中总均方体积速度为

的波振面，那么在声接收器的振膜处的受挡声压同样为

当声接收器发声时，假设其均方体积速度仍为

假设此时辅助扬声器的开路电压为E²。如果声接收器与辅助扬声器构成的系统是互易的，那么根据电声互易原理有：

即：

将公式(9)代入公式(7)，可得到：

公式(10)中，E²、I²、

均可以测量得到，c为声速。考虑到多次测量可提高准确性，因此可改变互易扬声器的位置，重复上述操作，计算平均值：

进一步对频率进行积分，得到总的声功率：

由此，可以实现对声源的辐射声功率测试，且经过发明人多次实验后发现该方案完全可行。

下面结合理论依据和具体实施例对本发明的测试方法作进一步说明。

如图3所示，本发明提出了一种声源声功率测试方法，在如图2所示的混响室中，该方法中使用的互易扬声器和传声器需满足电声互易条件，所述声源声功率测试方法包含如下步骤：

步骤1：在所述混响室中，使声源设备正常运行发出噪声，测量互易扬声器的开路电压E；

步骤2：驱动互易扬声器发声(发声频率范围覆盖全部声源发声范围频率)，测量互易扬声器的输入电流I，同时将声源设备移除，在声源位置处放置传声器，获得传声器声压P₀；

步骤3：将开路电压E，输入电流I，声压P₀变换到频域，根据公式计算声功率随频率的分布：

其中，ρ表示介质密度，f表示频率，

为频率f下的开路电压E，

为频率f下的输入电流，c为声速；

步骤4：改变互易扬声器的位置，重复步骤1～3，计算多次(如5次以上)试验的得到P_f的平均值

步骤5：根据步骤4得到的平均值

计算出全声源发声范围频率下的声源总的声功率P。

进一步的，可以对所有频率f的声功率平均值

进行离散积分，得到声源总的声功率：

在根据上述测试方法得到声功率P后，可将该声功率P用于工业环境中的扬声器、变压器、电容器、风机等多种设备的噪声源特性测试，也可适用于水下工作设备的水声噪音测试(如水下机器人等)，或者更广泛的，该方法也可适用于波长小或者空间小的小型声源的噪音测试，从而对高频率/超低频率的声源噪声进行测试。

需要说明的是，上述的声源声功率测试方法可以作为软件程序或者计算机指令在非暂态计算机可读存储介质中执行或者在带有存储器和处理器的控制系统中执行，且其计算程序简单快速。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种声源声功率测试方法，其特征在于，在混响室中的互易扬声器和传声器满足电声互易条件，所述测试方法具体包含如下步骤：

步骤1：在所述混响室中，使声源设备正常运行发出噪声，测量互易扬声器的开路电压E；

步骤2：驱动互易扬声器发声，测量互易扬声器的输入电流I，同时将声源设备移除，在声源位置处放置传声器，获得传声器声压P₀；

步骤3：将开路电压E，输入电流I，声压P₀变换到频域，根据公式计算声功率随频率的分布：

其中，ρ表示介质密度，f表示频率，E_f为频率f下的互易扬声器的开路电压，I_f为频率f下的互易扬声器的输入电流，c为声速；

步骤4：改变所述互易扬声器的位置，重复步骤1～3，计算多次试验的得到P_f的平均值

步骤5：根据步骤4得到的平均值

计算出全声源发声范围频率下的声源总的声功率P。

2.根据权利要求1所述的声源声功率测试方法，其特征在于，所述步骤2中，驱动互易扬声器发声时，发声频率范围覆盖全部声源发声范围频率。

3.根据权利要求1所述的声源声功率测试方法，其特征在于，所述步骤4中的多次试验为5次以上的实验。

4.根据权利要求1所述的声源声功率测试方法，其特征在于，所述步骤5中，对所有频率f的声功率平均值

进行离散积分，得到声源总的声功率：

5.根据权利要求1所述的声源声功率测试方法，其特征在于，在计算得到声功率P后，所述声功率P用于小型声源的噪音测试。

6.根据权利要求5所述的声源声功率测试方法，其特征在于，在计算得到声功率P后，所述声功率P用于水下工作设备、扬声器、变压器、电容器或风机的噪声源特性测试。

7.一种声源声功率测试系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至6任一项所述的声源声功率测试方法。

8.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至6任一项所述的声源声功率测试方法。

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