CN112327281B - 一种高声扩散混响水池中窄带声信号的声源级测量方法 - Google Patents
一种高声扩散混响水池中窄带声信号的声源级测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于混响水池中的声学特性测量技术领域，具体涉及一种高声扩散混响水池中窄带声信号的声源级测量方法。和传统混响水池声场测量方法相比，本发明通过构造随机起伏界面，显著提高了混响水池声场的声扩散性，既能降低窄带信号的测量不确定度，同时还降低了原混响水池的混响截止频率，扩大了混响水池的低频测量范围，本发明中实验设备易得，无附加成本，适用于任意形状的混响水池，高效率实现窄带声源级测量，对拓展混响水池应用具有极大的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于混响水池中的声学特性测量技术领域，具体涉及一种高声扩散混响水池中窄带声信号的声源级测量方法。
背景技术
在混响水池中，依据空气混响室理论进行声学测量要求声场尽可能扩散。在空气混响室中，声吸收，传播损失，辐射声功率的测量都是基于扩散声场的假定，提高声场的扩散性十分必要。在空气声学领域，各国学者提出了移动散射体、旋转散射体、数论散射体等结构提高混响室中的扩散性。空气混响室墙壁反射系数高，声速低，安装了扩散体的混响室声场可认为近似扩散。高声扩散混响室中窄带声学特性测量可以达到测量要求。
混响水池声场特性与空气混响室存在显著差异。混响水池池壁通常反射系数低，声速高，不容易安装散射体，混响截止频率高，故而声场扩散程度较差。在混响水池中难以建立理想的混响声场，直接使用混响室理论会造成很大的测量误差。对于混响水池中声压的测量方法，中国学者李琪最先引入空间平均的思想消除了声波干涉导致的声场不均匀性，在不满足扩散条件也可以得到较准确的测量结果，使混响法成为水下声学测量的重要手段。此后，尚大晶等在规则矩形混响水池中开展了系列实验，在提高测量不确定度和拓展混响水池应用范围方面取得进展。提高混响水池的声扩散性、在混响水池中进行窄带声学特性测量是混响水池理论及应用领域的热点问题，对水下声学测量具有重要意义。目前尚未见到通过创造随机起伏界面提高混响水池声场扩散性的报道，也尚未见到在基于随机起伏界面的高声扩散混响水池条件下进行窄带声信号声源级测量的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供可在基于随机起伏界面的高声扩散混响水池条件下进行窄带声信号声源级测量的一种高声扩散混响水池中窄带声信号的声源级测量方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
步骤1：将声源放置在混响水池中，使其连续稳定发射宽带声信号；选择距离水池边界大于最低发射频率对应的四分之波长的位置作为声源的放置位置；
步骤2：在混响水池水面制造波浪生成随机起伏界面，形成高声扩散声场条件；随机起伏界面不限于在混响水池的水面生成，还可以拓展至混响水池其它界面随机起伏的情况；
步骤3：用水听器在混响水池中多次多位置测量混响时间；其中，测量位置不小于6个，在每个位置测量的次数不小于6次，将测量结果取平均，计算混响截止频率fc；
其中，T60为混响时间，公式中的<·>表示算数平均；c0为声速；V为混响水池的体积；
步骤4：用水听器在混响水池声场的混响控制区内移动拾取声信号，进行时间和空间平均处理得到此声场的均方声压谱级SPL；
其中，ptest为混响水池中测量到的空间平均声压幅值；pref为水中参考声压；
步骤5：根据混响时间计算混响水池的房间常数R；
步骤6：利用房间常数R对窄带均方声压谱级进行校正，得到窄带声信号的声源级SL；
本发明的有益效果在于：
和传统混响水池声场测量方法相比，本发明通过构造随机起伏界面，显著提高了混响水池声场的声扩散性，既能降低窄带信号的测量不确定度，同时还降低了原混响水池的混响截止频率，扩大了混响水池的低频测量范围，本发明中实验设备易得，无附加成本，适用于任意形状的混响水池，高效率实现窄带声源级测量，对拓展混响水池应用具有极大的实用价值。
附图说明
图1为本发明的整体流程图。
图2为本发明中实验测量装置的示意图。
图3为本发明中混响水池换能器布放的俯视图。
图4为本发明的实施例中界面起伏混响水池中空间平均所测的声源级曲线。
图5本发明的实施例中界面静止混响水池中空间平均所测的声源级曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及混响水池中的声学特性测量方法，尤其是涉及基于随机起伏界面的高声扩散混响水池中的窄带声信号声源级测量方法。本发明公开了一种提高混响水池声场扩散性的方法，并应用该方法创造的有利条件测量水下声源窄带声辐射特性。和传统混响水池声场测量方法相比，本发明通过构造随机起伏界面，显著提高了混响水池声场的声扩散性，既能降低窄带信号的测量不确定度，同时还降低了原混响水池的混响截止频率，扩大了混响水池的低频测量范围，本发明对拓展混响水池应用具有极大的实用价值。
一种基于随机起伏界面的高声扩散混响水池中的窄带声信号的声源级测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将声源放置在混响水池中，使其连续稳定发射宽带声信号；选择距离水池边界大于最低发射频率对应的四分之波长的位置作为声源的放置位置；
步骤2：在混响水池水面制造波浪生成随机起伏界面，形成高声扩散声场条件；随机起伏界面不限于在混响水池的水面生成，还可以拓展至混响水池其它界面随机起伏的情况；
步骤3：用水听器在混响水池中多次多位置测量混响时间；其中，测量位置不小于6个，在每个位置测量的次数不小于6次，将测量结果取平均，计算混响截止频率fc；
其中，T60为混响时间，公式中的<·>表示算数平均；c0为声速；V为混响水池的体积；
步骤4：用水听器在混响水池声场的混响控制区内移动拾取声信号，进行时间和空间平均处理得到此声场的均方声压谱级SPL；
其中，ptest为混响水池中测量到的空间平均声压幅值；pref为水中参考声压；
步骤5：根据混响时间计算混响水池的房间常数R；
步骤6：利用房间常数R对窄带均方声压谱级进行校正，得到窄带声信号的声源级SL；
实施例1：
本发明所述基于随机起伏界面的高声扩散混响水池中的窄带声信号声源级测量方法，该方法包括以下步骤，如图1所示：
下面以在哈尔滨工程大学水声技术实验室的混响水池中的实验为例，结合附图，对本发明做详细说明。混响水池体积为1.2m×1.0m×0.8m。测试系统组成为：球形无指向性声源EDO 6829-17k，水听器B&K 8103，动态信号分析仪B&K PULSE3560E，功率放大器Instruments INC.L2。仪器设备连接如图2，换能器布放如图3所示。
(1)本例中声源在混响水池中连续稳定发射0-25.6KHz宽带白噪声信号，由于低频段模态数太少，不满足混响条件，仅分析4KHz-25.6KHz频段内声场的扩散性。声源放置位置应选择在距离水池边界大于最低发射频率对应的四分之波长λ/4即0.01m的位置。
(2)利用造波机或者推水板往复运动，在混响水池水面制造波浪生成随机起伏界面，形成高声扩散声场条件。本例中随机起伏界面的具体实施方法是推水板往复运动制造出持续随机起伏的波浪，推水板置于靠近池壁一侧，远离声源与水听器布放位置。
(3)用水听器在水池中测量声压级降低60dB的三分之一倍频程混响时间。固定水听器位置，测量6次，再改变水听器位置6次重复测量，将测量结果取平均。本例中的平均混响时间为0.117s。
根据测量得出的混响时间，依据下式计算混响水池的混响截止频率：
其中T60为混响时间，公式中的<·>表示算数平均。c0为声速，V为水池体积。fc为混响截止频率，在混响截止频率以上符合混响法测量的基本条件。声速c0＝1500m/s，体积V＝0.96m2，混响时间<T60>＝0.117s。故而界面起伏时，混响截止频率f0为6694Hz。
(4)用单水听器在水池声场混响控制区内移动拾取声信号，进行时间和空间平均处理得到此声场的均方声压谱级，测量时间为60s，足够长以得到稳定的窄带声信号的声压级谱。依据下式计算混响半径：
混响时间<T60>＝0.117s，水池体积V＝0.96m2。rc为混响半径，在界面起伏时，混响半径为0.077m。控制水听器与声源的距离大于混响半径0.077m。
(5)根据三分之一倍频程混响时间计算混响水池的房间常数R：
利用接收到的声压信号计算声压级即为空间平均声压谱级SPL：
其中ptest为水池中测量到的空间平均声压幅值，pref为水中参考声压，pref＝1μPa。
利用10log10(16π/R)对窄带均方声压谱级进行校正，即得到窄带声信号的声源级：
在界面随机起伏情况下校正后的声源级曲线如图4。
下面与静止界面情况下的对比，分析本发明方法对提高声场扩散性的有益效果：
在界面静止情况下重复以上步骤，可以测得其混响时间为0.259s，计算得混响截止频率为9948Hz，经过校正得声源级曲线如图5。
可见，界面随机起伏时的混响截止频率6694Hz相对于界面静止时的混响截止频率9948Hz，有明显的降低。对比分析图4与图5，界面随机起伏时的频响曲线起伏程度相对于界面静止时的频响曲线起伏程度，有明显的减小。这说明了随机起伏界面可以有效地提高声场扩散性，可以进一步改善混响水池中的声源级测量方法。
本发明的有益效果在于：
(1)本方法有效的提高了混响水池中声场扩散性，降低了混响截止频率，拓宽了可以实现精确的窄带声学测量的频率范围。
(2)实验设备易得，无附加成本，适用于任意形状的混响水池，高效率实现窄带声源级测量，具有极大的实用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高声扩散混响水池中窄带声信号的声源级测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将声源放置在混响水池中，使其连续稳定发射宽带声信号；选择距离水池边界大于最低发射频率对应的四分之波长的位置作为声源的放置位置；
步骤2：在混响水池水面或混响水池其它界面制造波浪生成随机起伏界面，形成高声扩散声场条件；
步骤3：用水听器在混响水池中多次多位置测量混响时间；其中，测量位置不小于6个，在每个位置测量的次数不小于6次，将测量结果取平均，计算混响截止频率fc；
其中，T60为混响时间，公式中的<·>表示算数平均；c0为声速；V为混响水池的体积；
步骤4：用水听器在混响水池声场的混响控制区内移动拾取声信号，进行时间和空间平均处理得到此声场的均方声压谱级SPL；
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步骤6：利用房间常数R对窄带均方声压谱级进行校正，得到窄带声信号的声源级SL；
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