CN113405650B - 一种基于驻波管和吸声材料的矢量传感器校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于驻波管和吸声材料的矢量传感器校正方法，利用两个声压传感器与吸声材料，计算得到材料表面阻抗与频率相关的光滑曲线图，由于矢量传感器测试得到的数据也需要通过灵敏度进行换算才可以得到表面阻抗，因此，通过声压传感器计算的光滑表面阻抗曲线图就可以快速测量得到矢量传感器的声压幅值灵敏度、质点振速幅值灵敏度以及相对相位灵敏度曲线，避免了现有方法中测得的灵敏度曲线会产生奇异值点的问题。

Description

一种基于驻波管和吸声材料的矢量传感器校正方法

技术领域

本发明涉及声学测量技术领域，具体为一种基于驻波管和吸声材料的矢量传感器校正方法。

背景技术

矢量传感器作为一种新型传感器，可以共点测量声压与质点振速，从而获得全面的声场信息。基于矢量传感器来获得正确的声场信息的声学测量中，一个关键因素是矢量传感器的校准。目前矢量传感器的灵敏度校正技术一般是基于消声室测量和驻波管测试。基于消声室测量手法，需要昂贵的声学测量室并测量得到的低频灵敏度精度差，不能快速方便的对材料进行测试校准。

已知的驻波管校准方法中，申请公布号为CN 110312196 A名为一种声矢量传感器灵敏度测量装置及系统的发明专利中，利用不同位置孔处测得的数据来计算声压、质点振速以及二者相对相位灵敏度曲线图，在这种方法中，声压灵敏度计算公式为：

质点振速灵敏度计算公式为

其中，k为波数，与频率相关，导致这样测得的灵敏度曲线会产生奇异值点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于驻波管和吸声材料的矢量传感器校正方法，利用两个声压传感器与吸声材料，计算得到材料表面阻抗与频率相关的光滑曲线图，由于矢量传感器测试得到的数据也需要通过灵敏度进行换算才可以得到表面阻抗，因此，通过声压传感器计算的光滑表面阻抗曲线图就可以快速测量得到矢量传感器的声压幅值灵敏度、质点振速幅值灵敏度以及相对相位灵敏度曲线，避免了现有方法中测得的灵敏度曲线会产生奇异值点的问题。

本发明的技术方案为：

所述一种基于驻波管和吸声材料的矢量传感器校正方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建校正装置：

所述校正装置包括驻波管，在驻波管一端安装扬声器，在驻波管另一端放置吸声材料，在驻波管管壁距吸声材料表面l的位置处安装矢量传感器以及2号声压传感器，在驻波管管壁距距吸声材料表面l+d的位置处安装1号声压传感器；

步骤2：通过扬声器产生白噪声信号，利用两个声压传感器测量矢量传感器所在位置处的声阻抗Z；

步骤3：根据阻抗值Z与2号声压传感器测量的声压值p_ref2，计算矢量传感器所在位置处的参考质点振速u_ref：

步骤4：根据矢量传感器测试的声压值p_pu与2号声压传感器得到的声压值p_ref2计算声压幅值灵敏度S_p，绘制声压灵敏度曲线：

根据矢量传感器所在位置处的参考质点振速u_ref与矢量传感器测试得到的质点振速值u_pu计算质点振速幅值灵敏度S_u，绘制质点振速灵敏度曲线：

步骤5：由p_ref2与u_ref计算得到理论的声压与质点振速的相对相位值

由p_pu与u_pu计算测试的声压与质点振速相对相位

由

与

计算得到矢量传感器相对相位校准值

绘制相对相位灵敏度曲线：

进一步的，步骤2中利用两个声压传感器测量矢量传感器所在位置处的声阻抗Z的过程为：

根据两个声压传感器的安装位置信息以及声波波数k计算得到两个声压传感器中入射波传递函数H_I与反射波传递函数H_R：

H_I＝e^-jkd,H_R＝e^jkd

根据两个声压传感器的测量值p_ref1、p_ref2，计算得到总声场的传递函数H₁₂：

根据H_I、H_p以及H₁₂计算吸声材料的反射系数r：

由反射系数r与空气的特性阻抗ρc计算矢量传感器所在位置处的声阻抗Z：

有益效果

本发明的优势有益效果为对矢量传感器进行校准无须用到专业的消声室设备；相对于已知的驻波管校准技术，通过以吸声材料作为测试媒介，测量结果不会在某些频率点产生奇异点，可以得到完整的声压幅值灵敏度、质点振速幅值灵敏度以及相对相位灵敏度曲线。

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：本发明的方法示意图；

图2：现场测试布置图；

图3：矢量传感器采集声压(a)和质点振速(b)；

图4：一号声压传感器(a)和二号声压传感器(b)；

图5：吸声材料的反射系数r；

图6：吸声材料的表面阻抗Z；

图7：声压灵敏度Sp；

图8：质点振速灵敏度Su；

图9：相对相位灵敏度

具体实施方式

本发明针对消声室测量中需要昂贵的消声室以及无法得到高精度的灵敏度校正曲线问题，提出一种基于驻波管和吸声材料的矢量传感器校正方法，在驻波管中利用两个声压传感器与吸声材料，快速测量矢量传感器的声压幅值灵敏度、质点振速幅值灵敏度以及相对相位灵敏度曲线，实现矢量传感器校正。

如图1所示，驻波管半径为D，材料厚度为L。扬声器放置在驻波管一端，驻波管另一端放置吸声材料，一个一维矢量传感器与2号声压传感器放置在距离吸声材料表面l的位置处，1号声压传感器放置在距离吸声材料表面l+d的位置处，两个声压传感器测量材料的表面阻抗。一维矢量传感器测量声压与质点振速响应值。

利用上述装置，测量灵敏度，实现对矢量传感器进行校正的流程为：

1、扬声器发出白噪声信号，一维矢量传感器和两个声压传感器同时记录测量得到的白噪声信号。

2、由位置信息以及声波波数k解算得到两个声压传感器的入射波传递函数H_I与反射波传递函数H_R：

H_I＝e^-jkd,H_R＝e^jkd

3、根据两个声压传感器的测量值p_ref1、p_ref2，解算出总声场的传递函数H₁₂：

4、通过入射波传递函数H_I、反射波传递函数H_p以及总声场的传递函数H₁₂计算吸声材料的反射系数r：

5、由反射系数r与空气的特性阻抗ρc计算矢量传感器所在位置处的声阻抗Z：

6、根据阻抗值Z与2号声压传感器测量的声压值p_ref2，得到矢量传感器所在位置处的参考质点振速u_ref：

7、由矢量传感器测试的声压值p_pu与2号声压传感器得到的声压值p_ref2计算声压幅值灵敏度S_p，绘制声压灵敏度曲线：

8、由参考质点振速u_ref与矢量传感器测试得到的质点振速值u_pu计算质点振速幅值灵敏度S_u，绘制质点振速灵敏度曲线：

9、由2号声压传感器测量的声压值p_ref2的相位值

与矢量传感器所在位置处的参考质点振速u_ref的相位值

计算得到理论的声压与质点振速的相对相位值

10、由矢量传感器测试的声压值p_pu的相位值

与矢量传感器测试得到的质点振速值u_pu的相位值

计算测试的声压与质点振速相对相位

11、由

与

计算得到矢量传感器相对相位校准值

从而绘制得到相对相位灵敏度曲线：

本实施例的现场测试布置图如图2所示，驻波管直径大小为10cm，扬声器放置在驻波管右端，左端放置七块厚度为5cm玻璃纤维棉，一维矢量传感器与二号声压传感器距离材料表面l＝10cm，一号声压传感器距离二号声压传感器d＝5cm。

扬声器选取白噪声信号发声30s，三个传感器采集得到的数据，截取15s到25s之间的数据，如图3和图4所示。由一号声压传感器与二号声压传感器计算得到玻璃纤维棉的反射系数r如图5所示，表面阻抗Z如图6所示，计算得到的声压灵敏度曲线如图7所示，计算得到的质点振速灵敏度曲线如图8所示，计算得到的相对相位灵敏度曲线如图9所示。可以看出，本发明通过声压传感器计算的光滑表面阻抗曲线图可以快速测量得到矢量传感器的完整的声压幅值灵敏度、质点振速幅值灵敏度以及相对相位灵敏度曲线。

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)

1.一种基于驻波管和吸声材料的矢量传感器校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：搭建校正装置：

所述校正装置包括驻波管，在驻波管一端安装扬声器，在驻波管另一端放置吸声材料，在驻波管管壁距吸声材料表面l的位置处安装矢量传感器以及2号声压传感器，在驻波管管壁距吸声材料表面l+d的位置处安装1号声压传感器；

步骤2：通过扬声器产生白噪声信号，通过以下过程利用两个声压传感器测量矢量传感器所在位置处的声阻抗Z：

根据两个声压传感器的安装位置信息以及声波波数k计算得到两个声压传感器中入射波传递函数H_I与反射波传递函数H_R：

H_I＝e^-jkd,H_R＝e^jkd

根据两个声压传感器的测量值p_ref1、p_ref2，计算得到总声场的传递函数H₁₂：

根据H_I、H_p以及H₁₂计算吸声材料的反射系数r：

由反射系数r与空气的特性阻抗ρc计算矢量传感器所在位置处的声阻抗Z：

步骤3：根据阻抗值Z与2号声压传感器测量的声压值p_ref2，计算矢量传感器所在位置处的参考质点振速u_ref：

步骤4：根据矢量传感器测试的声压值p_pu与2号声压传感器得到的声压值p_ref2计算声压幅值灵敏度S_p，绘制声压灵敏度曲线：

根据矢量传感器所在位置处的参考质点振速u_ref与矢量传感器测试得到的质点振速值u_pu计算质点振速幅值灵敏度S_u，绘制质点振速灵敏度曲线：

步骤5：由p_ref2与u_ref计算得到理论的声压与质点振速的相对相位值

由p_pu与u_pu计算测试的声压与质点振速相对相位

由

与

计算得到矢量传感器相对相位校准值

绘制相对相位灵敏度曲线：

Images