CN112924012A - 一种密闭小空间声学参数测量方法 - Google Patents

一种密闭小空间声学参数测量方法 Download PDF

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王阳
于泽
张玮
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种密闭小空间声学参数测量方法，包括以下步骤：S1使用有限元法对声场进行建模；S2估算出密闭小空间内的声场分布；S3选择相应的麦克风和扬声器，并根据声场分布进行麦克风和扬声器的布局；S4扬声器播放正弦扫频信号，并使用与之匹配的麦克风接收声音信号，测得目标点位的空间响应函数。本发明对密闭小空间内的声场进行建模，并准确测量其声学参数，为密闭小空间内声学相关的技术研发提供支撑。

Description

一种密闭小空间声学参数测量方法
技术领域
本发明涉及声学参数获取技术领域，尤其涉及一种密闭小空间声学参数测量方法。
背景技术
在密闭小空间环境中研发语音采集、语音检测、语音识别、声纹识别、语音合成等智能语音处理相关的技术方法时，由于密闭小空间的声场环境与一般的使用环境有很大差异，会给相关的技术研发带来很多困难和不确定性。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种密闭小空间声学参数测量方法，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种密闭小空间声学参数测量方法，适用于压力场的声学参数测量，包括以下步骤：
S1使用有限元法对声场进行建模；
S2估算出密闭小空间内的声场分布；
S3选择相应的麦克风和扬声器，并根据所述声场分布进行麦克风和扬声器的布局；
S4所述扬声器播放正弦扫频信号，并使用与之匹配的所述麦克风接收声音信号，测得目标点位的空间响应函数。
本发明的一个较佳实施例中，步骤S1包括：
S1.1建立空间几何模型；
S1.2根据所述空间几何模型构建所述空间的网格模型，并且最大网格的边长≤λ/N，其中5＜N＜10，λ为测量声波的波长；
S1.3根据所述空间实际结构的材料力学行为属性，定义网格模型材料的属性。
本发明的一个较佳实施例中，步骤S2包括：在所述网格模型的内设置激励源，并根据方程(1)对所述空间内的声场分布进行仿真，
Figure BDA0002913318060000021
其中，P为压力，ρ0为流体密度，ω为角频率，c为声速。
本发明的一个较佳实施例中，根据方程(2)求解所述空间内的声场分布，
p＝P0ei(ωt-K·x) (2)
其中，P0表示波幅，K为其运动方向，ω为角频率，波数为k＝|K|，t为时间，i为虚数单位，x为平面波的位置。
本发明的一个较佳实施例中，步骤S3中选择压力音场型式麦克风。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明对密闭小空间内的声场进行建模，并准确测量其声学参数，为密闭小空间内声学相关的技术研发提供支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为声波频率和波长的曲线图；
图2为体积为1立方米的正方体密闭小空间的网格模拟仿真图。
图3为1000Hz正弦波点声源激励下，密闭小空间的表面总声压场。
图4为1000Hz正弦波点声源激励下，密闭小空间的表面声压级。
图5为1000Hz正弦波点声源激励下，密闭小空间的内部等值面总声压场。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种密闭小空间声学参数测量方法，适用于压力场的声学参数测量，一般地，声场类型与声源声波波长和空间尺寸比例有一定关系，当空间的尺寸远远大于声波的波长时，周围较大范围内没有反射物，可近似为自由场；当声波波长大于空间尺寸时，升压压力分布均匀，为压力场。声波的频率与波长的对应曲线如图1所示，若测量声波波长与密闭空间尺寸满足压力场条件时，则适用于本测量方法。
本测量方法包括以下步骤：S1使用有限元法对声场进行建模。具体地，步骤S2包括：
S1.1建立空间几何模型，即绘制密闭小空间的几何结构。
S1.2如图2所示，根据所述空间几何模型构建所述空间的网格模型，并且最大网格的边长≤λ/N，其中5＜N＜10，λ为测量声波的波长，从而平衡算力和构建效果。
S1.3根据所述空间实际结构的材料力学行为属性，定义网格模型材料的属性。
在设定求解方法和求解参数时根据硬件算力，从数值计算的角度选择恰当的计算方法，如大规模并行稀疏直接求解器，面向对象线性方程组稀疏求解器，密集矩阵求解器等。由于求解器所需的内存量和求解时间会随着矩阵的密度增加，尽量选择稀疏求解器，且降低网格的精度，以均衡计算精度、计算速度和计算稳定性。
S2估算出密闭小空间内的声场分布；
步骤S2包括：在所述网格模型的内设置激励源，并根据以下方程对所述空间内的声场分布进行仿真。
具体为，如图3-图5所示：经典的压力声学可以准确描述大多数声学现象，其一般前提假设是空间内的物质流动是无损且绝热的，这样即可忽略其粘性效应，并采用线性等熵状态方程来描述。基于这一假设，声场可以描述为一个变量，即压力P(单位：Pa)，并由波动方程控制。
建立声场波动控制方程
Figure BDA0002913318060000061
其中，t表示时间，ρ0表示流体密度，c表示声速。
压力的实际瞬时物理值是上步中方程的实部，在这种假设的压力场下，瞬态波动方程可以约化为
Figure BDA0002913318060000062
在均质的情况下，方程(1)的一个简单解为平面波p＝P0ei(ωt-K·x) (2)，其中P0表示波幅，K为其运动方向，ω为角频率，波数为k＝|K|，i为虚数单位，x为平面波的位置。
S3选择相应的麦克风和扬声器，并根据所述声场分布进行麦克风和扬声器的布局。
具体地，可以根据自身应用所关注的点位进行麦克风和扬声器的布局，也可以在密集测量密闭小空间内的所有点位后，根据声场强度的大小，选择应用中布放的位置，如需要减少扬声器对麦克风的影响，则将麦克风布置于声场较弱的位置，反之则将麦克风布置于声场较强的位置。
在测量密闭小空间压力音场时，因为麦克风薄膜的刚性较墙壁面小，因此声压会影响薄膜而得以量测声压值，压力音场型式麦克风薄膜表面压力愈均匀，其输出电压愈平坦，频率响应特性愈好。因此，在选择麦克风时，需选择输出电压平坦的型号。
S4所述扬声器播放正弦扫频信号，并使用与之匹配的所述麦克风接收声音信号，测得目标点位的空间响应函数。
根据接收的信号计算各调制频率的调制传递比m(fm)，然后将m(fm)转化为有效信噪比
Figure BDA0002913318060000071
分别计算给定倍频带有效信噪比的平均值得到每个倍频带的调制传递指数，最终得到语音传输指数STI。
使用伊林公式
Figure BDA0002913318060000072
计算密闭小空间的混响时间。
综上所述，本发明对密闭小空间内的声场进行建模，并准确测量其声学参数，为密闭小空间内声学相关的技术研发提供支撑。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种密闭小空间声学参数测量方法，适用于压力场的声学参数测量，其特征在于，包括以下步骤：
S1使用有限元法对声场进行建模；
S2估算出密闭小空间内的声场分布；
S3选择相应的麦克风和扬声器，并根据所述声场分布进行麦克风和扬声器的布局；
S4所述扬声器播放正弦扫频信号，并使用与之匹配的所述麦克风接收声音信号，测得目标点位的空间响应函数。
2.根据权利要求1所述的密闭小空间声学参数测量方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1建立空间几何模型；
S1.2根据所述空间几何模型构建所述空间的网格模型，并且最大网格的边长≤λ/N，其中5＜N＜10，λ为测量声波的波长；
S1.3根据所述空间实际结构的材料力学行为属性，定义网格模型材料的属性。
3.根据权利要求2所述的密闭小空间声学参数测量方法，其特征在于，步骤S2包括：在所述网格模型的内设置激励源，并根据方程(1)对所述空间内的声场分布进行仿真，
Figure FDA0002913318050000011
其中，P为压力，ρ0为流体密度，ω为角频率，c为声速。
4.根据权利要求3所述的密闭小空间声学参数测量方法，其特征在于，根据方程(2)求解所述空间内的声场分布，
p＝P0ei(ωt-K·x) (2)
其中，P0表示波幅，K为其运动方向，ω为角频率，波数为k＝|K|，t为时间，i为虚数单位，x为平面波的位置。
5.根据权利要求1所述的密闭小空间声学参数测量方法，其特征在于，步骤S3中选择压力音场型式麦克风。
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