CN112146745B - 一种水池混响时间的精确测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水池混响时间的精确测量方法，主要包括水听器与互易换能器，水听器与互易换能器分别在水池的两侧移动，采集混响水池的声场信息，利用互易换能器的互易性结合所采集到的声场信息计算出混响水池的混响时间。本发明使用的空间信息更多，对发射换能器的声源级要求更低，其测试结果具有较高的精度；已用于在研课题中水池混响时间的测量，测量结果与中断声源法的结果基本一致，证明了该方法的有效性，将会逐步应用到各混响场参数校准中。

Description

一种水池混响时间的精确测量方法
技术领域
本发明涉及声学计量测试技术的领域，具体涉及一种水池混响时间的精确测量方法。
背景技术
水声计量与测试常采用自由场条件，即各向均匀同性无界面反射的情形，通常需要结合脉冲声技术才能达到理想的自由场。因而，需要建造大型的消声水池，进行较低频率的自由场校准。这种方法拥有较高的准确性，但工程造价高，且存在低频测试下限。而混响声场相对容易获得，而且其测试频率下限远低于自由场法。混响时间是描述混响声场声学特性的一个关键参数。
混响时间是指在有界空间内的声波达到稳态后，声源停止工作，空间内的平均声能流密度自原始值衰减60dB所需的时间(T60)。它常被用于室内音质的评价、声学材料吸声系数的测量以及换能器的校准。混响时间的测量方法主要有脉冲积分法(又称Schroder反向积分法)和中断声源法两种。其中，脉冲积分法是指通过将脉冲响应的平方进行反向时间积分来获取声能衰变曲线的方法。中断声源法是指声源在有界空间内激励窄带噪声或粉红噪声达到稳态后中断发声，通过记录声压级的衰变曲线来计算混响时间，由于其操作更为简便，因此其也是最常见的混响时间测量方法。这两种方法在本质上都是通过时域积分的方式来获得声压级衰变曲线，因而每次测量均只能测得一个频点(中心频点)的混响时间。而且，这两种方法在积分限内均没有考虑去噪，因而需要足够的信噪比才能保证测量准确度。其次,实际测量时，水池内难以形成处处均匀的混响声场，因而通常采用多个空间位置混响时间的平均值作为整个水池的混响时间。
综上所述，两种方法都需要有较高的信噪比，并需经过多次测量试验，其测量结果的准确性与测量次数成正比，要实现混响时间的精确测量则需要经过大量的、不同位置处的重复试验。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种水池混响时间的精确测量方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种水池混响时间的精确测量方法，主要包括以下步骤：
1)互易换能器在混响水池的一侧距离各个池面和水面大于半个波长的区域内随机移动，并发射宽带连续信号T；
2)水听器在混响水池的另一侧，同样在距离各个池面和水面大于半个波长的区域内随机移动；
3)水听器输出端的开路电压信号E1的信噪比不低于30dB，对水听器输出端的开路电压信号与互易换能器的发射电流信号E2进行A/D采样，信号采集长度为2分钟；
4)对E1与E2进行信号处理，得到关心的频点f处的功率PU与PI，接着计算得到频率为f时，混响水池的混响时间T60(f)，其计算公式为：
Figure BDA0002673304340000021
式中，V是混响水池中水的体积，ρ是水的密度，c是水中声速，MJ(f)是频率为f时水听器的灵敏度，MH(f)是频率为f时互易换能器的灵敏度。
所述互易换能器为宽带换能器，其工作带宽大于宽带连续信号T的带宽B，且在此带宽内发送电压响应不低于160dB，互易性偏差低于0.3dB，互易换能器的灵敏度需已知。
所述水听器在带连续信号T的带宽B内的灵敏度偏差优于±0.5dB。
所述宽带连续信号T其功率谱曲线与互易换能器的发送响应曲线类似。
所述宽带连续信号T采用功率谱密度近似为常数的信号。
更进一步的，所述E1与E2信号处理方式主要包括以下步骤：
1)将E1与E2分成120段，记为Us1，Us2，…，US120与Is1，Is2，…，IS120，每段的长度为1s，对每段信号加上相同时间长度的汉宁窗，再对其进行功率谱估计，其计算公式为
Figure BDA0002673304340000022
式中，
Figure BDA0002673304340000023
表示Usi的功率谱函数，
Figure BDA0002673304340000024
表示Isi的功率谱函数，PT表示信号的功率谱变换，
Figure BDA0002673304340000025
示点乘，L表示窗信号的长度，hann表示汉宁窗；
2)对关心的频点f0处的功率进行平均处理得到PU与PI，其计算方法如下
Figure BDA0002673304340000026
本发明的有益效果为：本发明打破了原有的混响水池混响时间的测量方法，水听器与互易换能器分别在水池的两侧移动，采集混响水池的声场信息，利用互易换能器的互易性结合所采集到的声场信息计算出混响水池的混响时间，相当于水听器在混响控制区采集到了无数空间点位，相较于中断声源法与脉冲积分法，本方法使用的空间信息更多，对发射换能器的声源级要求更低，其测试结果具有较高的精度；已用于在研课题中水池混响时间的测量，测量结果与中断声源法的结果基本一致，证明了该方法的有效性，将会逐步应用到各混响场参数校准中。
附图说明
图1为本发明的声场布置示意图。
图2为本发明与中断声源法测得的混响时间对比图。
附图标记说明：混响水池1、空间区域2、互易换能器3、空间区域4、水听器5。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例1：如附图所示，这种水池混响时间的精确测量方法，主要包括以下步骤：
1)互易换能器3在混响水池1的一侧距离各个池面和水面大于半个波长的区域内随机移动，并发射宽带连续信号T；
2)水听器5在混响水池1的另一侧，同样在距离各个池面和水面大于半个波长的区域内随机移动；
3)水听器5输出端的开路电压信号E1的信噪比不低于30dB，对水听器5输出端的开路电压信号与互易换能器3的发射电流信号E2进行A/D采样，信号采集长度为2分钟；
4)对E1与E2进行信号处理，得到关心频点f处的功率PU与PI，接着计算得到频率为f时，混响水池的混响时间T60(f)，其计算公式为：
Figure BDA0002673304340000031
式中，V是混响水池1中水的体积，ρ是水的密度，c是水中声速，MJ(f)是频率为f时水听器5的灵敏度，MH(f)是频率为f时互易换能器3的灵敏度。
互易换能器3为宽带换能器，其工作带宽大于宽带连续信号T的带宽B，且在此带宽内发送电压响应不低于160dB，互易性偏差低于0.3dB，互易换能器3的灵敏度需已知。水听器5在带连续信号T的带宽B内的灵敏度偏差优于±0.5dB。宽带连续信号T其功率谱曲线与互易换能器3的发送响应曲线类似。宽带连续信号T采用功率谱密度近似为常数的信号，如线性调频信号与白噪声等。
E1与E2信号处理方式主要包括以下步骤：
1)将E1与E2分成120段，记为Us1，Us2，…，US120与Is1，Is2，…，IS120，每段的长度为1s，对每段信号加上相同时间长度的汉宁窗，再对其进行功率谱估计，其计算公式为
Figure BDA0002673304340000032
式中，
Figure BDA0002673304340000033
表示Usi的功率谱函数，
Figure BDA0002673304340000034
表示Isi的功率谱函数，PT表示信号的功率谱变换，
Figure BDA0002673304340000035
表示点乘，L表示窗信号的长度，hann表示汉宁窗；
2)对关心的频点f0处的功率进行平均处理得到PU与PI，其计算方法如下
Figure BDA0002673304340000041
实施例2：本实例在15m×9m×6m的混响水池1中对其2kHz～10kHz频率范围内的混响时间进行测量。测量系统由互易换能器3、水听器5、信号源、电流取样器、功率放大器以及数字示波器等组成。
在混响水池1中放置互易换能器3与水听器5，互易换能器3位于空间区域2，水听器5位于空间区域4。空间区域2与4分别距离池壁、池底与水面均为1m，距离中线2.5m，即空间区域2与空间区域4关于混响水池1中线对称。激励互易换能器3产生带宽为1.6kHz～12.5kHz的噪声信号，并在空间区域2中缓慢、匀速地移动互易换能器3，同时，在空间区域4中缓慢、匀速地移动水听器5。将数字示波器的采样率设置为50kHz，分别采集水听器5输出端的开路电压信号E1与互易换能器3的发射电流信号E2。2分钟后，停止移动互易换能器3与水听器5，并停止采集E1与E2。将信号E1与E2平均分为120段，记为Us1，Us2，…，US120与Is1，Is2，…，IS120，对每段信号加上相同时间长度的汉宁窗，再对其进行功率谱估计，其计算公式为
Figure BDA0002673304340000042
式中，
Figure BDA0002673304340000043
表示Usi的功率谱函数；
Figure BDA0002673304340000044
表示Isi的功率谱函数；PT表示信号的功率谱变换；
Figure BDA0002673304340000045
表示点乘；L表示窗信号的长度；L＝50000；hann表示汉宁窗。最后，对2kHz～10kHz频带内1/3倍频程中心频率的功率进行平均处理得到PU与PI，其计算方法如下
Figure BDA0002673304340000046
再计算混响水池的混响时间T60(f)，其计算公式如下：
Figure BDA0002673304340000047
附图2是通过中断声源法测得的混响时间与本发明测得的混响时间的对比。由图可知，两种方法测量的混响时间基本一致。其中，中断声源法是通过测量7个空间点混响时间得到混响水池1的混响时间，理论上，提高测量点的个数能够有效地提高混响时间的精度。但本发明采用动态采集，整个采集过程包含了无数个空间点的混响声场信息，相较于中断声源法具有更高的精度。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种水池混响时间的精确测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)互易换能器(3)在混响水池(1)的一侧距离各个池面和水面大于半个波长的区域内随机移动，并发射宽带连续信号T；
2)水听器(5)在混响水池(1)的另一侧，同样在距离各个池面和水面大于半个波长的区域内随机移动；
3)水听器(5)输出端的开路电压信号E1的信噪比不低于30dB，对水听器(5)输出端的开路电压信号与互易换能器(3)的发射电流信号E2进行A/D采样，信号采集长度为2分钟；
4)对E1与E2进行信号处理，得到关心的频率f处的功率PU与PI，接着计算得到频率为f时，混响水池的混响时间T60(f)，其计算公式为：
Figure FDA0003897747980000011
式中，V是混响水池(1)中水的体积，ρ是水的密度，c是水中声速，MJ(f)是频率为f时水听器(5)的灵敏度，MH(f)是频率为f时互易换能器(3)的灵敏度；
E1与E2信号处理方式包括以下步骤：
1)将E1与E2分成120段，记为Us1，Us2，…，US120与Is1，Is2，…，IS120，每段的长度为1s，对每段信号加上相同时间长度的汉宁窗，再对其进行功率谱估计，其计算公式为
Figure FDA0003897747980000012
式中，
Figure FDA0003897747980000013
表示Usi的功率谱函数，
Figure FDA0003897747980000014
表示Isi的功率谱函数，PT表示信号的功率谱变换，⊙表示点乘，L表示窗信号的长度，hann表示汉宁窗；
2)对关心的频率f处的功率进行平均处理得到PU与PI，其计算方法如下
Figure FDA0003897747980000015
2.根据权利要求1所述的水池混响时间的精确测量方法，其特征在于：所述互易换能器(3)为宽带换能器，其工作带宽大于宽带连续信号T的带宽B，且在此带宽内发送电压响应不低于160dB，互易性偏差低于0.3dB。
3.根据权利要求1所述的水池混响时间的精确测量方法，其特征在于：所述水听器(5)在宽带连续信号T的带宽B内的灵敏度偏差优于±0.5dB。
4.根据权利要求1所述的水池混响时间的精确测量方法，其特征在于：所述宽带连续信号T其功率谱曲线与互易换能器(3)的发送响应曲线类似。
5.根据权利要求1所述的水池混响时间的精确测量方法，其特征在于：所述宽带连续信号T采用功率谱密度近似为常数的信号。
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