CN114199368B

CN114199368B - 一种全频带pp声强自动测量装置和测量方法

Info

Publication number: CN114199368B
Application number: CN202111437354.9A
Authority: CN
Inventors: 冯涛; 李佳琪; 王晶; 刘恒; 吴爽
Original assignee: Beijing Technology and Business University
Current assignee: Beijing Technology and Business University
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2024-04-26
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: CN114199368A

Abstract

一种全频带PP声强自动测量装置和测量方法，所述测量装置包括固定参考传声器和可移动传声器，所述固定参考传声器和可移动传声器之间以轴线共线或轴线平行的形式放置。所述测量方法利用pp声强测量法在测量过程中，一个作为参考传声器不移动，另一个可移动传声器通过定位装置，移动到特定位置测量声信号。本发明申请的技术方案解决两传声器不适配和人工调距的问题，可以实现固定声源任意位置处全频带声强的测量，成本更低，效率更高，可广泛应用于声强的测试中。

Description

一种全频带PP声强自动测量装置和测量方法

技术领域

本发明属于声强测试设备领域，具体涉及一种全频带PP声强自动测量装置和测量方法。

背景技术

声强测量主要运用于噪声源识别和声功率测试。因为声强是矢量，它不仅能给出测点处的声波平均能流密度大小，还能显示声能流的方向。因此声强法无论在近场还是远场、自由场还是扩散场中都能使用，尤其适用于现场声源的声功率测试。

PP声强测量法是当前技术中最为常见的声强测量方法，现有技术中在PP法测量声强时，通常使用两个传声器，通过测量声场的声压梯度获得声强结果。PP声强测量应用广泛，但现有的测试系统却存在声强探头昂贵和测试效率低的难题。现有技术中，声强探头昂贵的原因是因为其探头由两个传声器组成，而且要求这两个传声器之间要具有很高的匹配精度才能保证测量的准确性，需要从大量传声器中选配出具有良好一致性的一对导致成本高昂。测试效率低是因为PP声强测量的频率范围由传声器间距决定，一种传声器间距只对应一个频带，全频带声强测量需要将每个间距所对应频段的声强拼接得到，获得31.5Hz~10KHz频带对应的声强，一般需要50毫米、12毫米和6毫米三个间距的声强测量结果，另外现有声强测量系统的传声器间距都是人工调节，效率低且存在人为误差。

因此非常急需开发一种传声器之间无须严格匹配要求，并且可以自动调距的全频带声强测量装置，可以有效降低成本，进一步提高声强测量的简便性以及准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种无匹配双传声器全频带PP声强自动测量装置和测量方法。

按照本发明提供的一种无匹配双传声器全频带PP声强自动测量装置，其主要技术方案为：包括固定参考传声器和可移动传声器，所述固定参考传声器和可移动传声器之间以轴线共线或轴线平行的形式放置。

还包括支撑架和定位装置，所述支撑架上部的一端固定有所述固定参考传声器，所述支撑架上设有所述定位装置，所述定位装置与所述可移动传声器相连，所述可移动传声器通过所述定位装置的移动来改变其与所述固定参考传声器之间的距离。

所述固定参考传声器和所述可移动传声器之间的相位无须完全匹配。

所述固定参考传声器为一个，所述可移动传声器至少为一个。

所述定位装置包括动作部件和电机，所述电机驱使所述动作部件来实现所述可移动传声器位置的自动调节。

一种全频带PP声强自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：任选一个固定参考传声器和至少一个可移动传声器，所述固定参考传声器和所述可移动传声器之间的相位无须严格匹配，将声强自动测量装置放置于距离待测声源合适的位置；

S2：测量过程中，固定参考传声器的位置固定不动，采集所述固定参考传声器的声信号，并采集可移动传声器依次移动到6个测量位置点时的声信号；

S3：以固定参考传声器的声信号为共同参考基准，将所述移动传声器在6个测量位置点测得对应的声信号，将6个声信号分为小间距、中间距和大间距三组声信号，直接计算6个测量位置点的声信号与固定参考传声器的声信号之间的第一传递函数，通过第一传递关系进而计算出三个间距位置组内两个测量位置点间的第二传递函数；所述小间距、中间距和大间距分别对应高频段、中频段和低频段测量结果，将所述高频段、中频段和低频段组合后覆盖31.5 Hz~10 KHz的全频带段；

S4：利用互谱法原理对上一步骤中计算得到的第一传递函数和第二传递函数进行分析处理，得到声强自动测量装置所处位置的声强。

所述步骤S2中，所述可移动传声器在测量位置点之间的移动顺序不固定。

所述可移动传声器在测量位置点之间的移动顺序为从一端到另一端的单方向逐点顺序移动。待测声源中心位于所述可移动传声器的轴线上，且所述待测声源中心与所述可移动传声器之间没有其它物体阻隔。

所述可移动传声器的可移动位置包括6个测量位置点，所述测量位置点处在同一条直线上，所述固定参考传声器的位置点与所述6个测量位置点共线或不共线，所述6个测量位置点的正中间存在一个对称中心点，6个测量位置点按照到对称中心点的距离分为对称分布的小间距、中间距和大间距三个间距位置组，每个间距位置组包括以所述对称中心点为中心的两个测量位置点，所述三个间距位置组内的两个测量位置点的固定间距分别为小间距6mm、中间距12mm和大间距50mm。

与现有技术中的PP声强测量系统相比，本发明提供的全频带pp声强自动测量装置和测量方法具有以下优点：

首先，本发明申请的技术方案中，两个传声器之间无须有很高的适配性，任选两个同型号的传声器组成声强探头，可有效降低挑选传声器的成本和挑选难度；

其次，本发明申请的技术方案中，首次采用固定参考传声器和可移动传声器的结构，进而解除了两个传声器与声源之间共线位置的限定。现有技术中两个严格匹配传感器与声源之间需要共线放置，而本发明申请中固定参考传声器和可移动传声器的轴线位置还可以实现平行放置，从而可以无限接近声源，不受传感器尺寸的限制，大大提高了测量范围；

最后，本发明申请技术方案中的声强测量方法精度更高，适应性更好，测量效率更高。本发明申请技术方案无需人工移动传感器，采用定位装置进行高精度确定传声器的位置，并利用定位装置中的动作部件实现自动调节传声器间距，根据需要灵活的在6个测量点之间移动，完成三个间距对应的声强信号的测量，可显著消除人为误差对测量结果的影响，显著提高测量效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的传声器测点位置的示意图。

具体实施方式

参见图1，一种全频带PP声强自动测量装置，包括固定参考传声器1、可移动传声器2，还包括支撑架8和定位装置。

所述固定参考传声器1和可移动传声器2之间以轴线共线或轴线平行的形式放置。所述固定参考传声器1固定在固定传声器底座3上。需要说明的是，轴线共线放置是指所述固定参考传声器1和可移动传声器2可以与声源放置在一条直线上，也就是现有技术中的pp声强测量装置的传声器的摆放位置。这种前后的放置形式受到传声器本身尺寸的限制，不能无限靠近待测声源，进行靠近声源位置处全频带声强的测量；而本发明申请中所述固定参考传声器1和可移动传声器2二者还可以轴线平行的形式放置，这样就可以解决现有技术中轴线共线放置的弊端，可移动传声器2可以无限靠近声源，获得所有位置处全频带的测量，应用更广泛。

所述固定参考传声器1和所述可移动传声器2之间的相位无须完全匹配。本发明是利用所述固定传声器1作为参考，所述可移动传声器2可以根据不同频带要求移动相对应的距离，二者无须相位完全匹配。传统的的pp声强测量方法为了进行更准确的测量，这两个传声器必须是经过严谨精密的筛选，理想的声强探头应该是选择两个同型号，幅值和相位完全匹配的传声器，其对传声器的挑选难度很大。

参见图1和图2，所述固定参考传声器1为一个，所述可移动传声器2至少为一个。所述固定参考传声器1只有一个在一侧固定不动，所述可移动传声器2可根据图2声强测试传声器点位图进行移动，数量是不固定的。图2中将全频带拆分为三个频段进行测量，位置点10为固定传声器1的位置。所测声强频带对应不同的传声器间距，并以此间距在直线导轨上对称的自动设定6个测点位置，分别为111、112、113、114、115、116，其中113与114的间距为6mm；112与115的间距为12mm；111与116的间距为50mm，其中110为测点位置的中心点，左右两侧平分测量间距，起到减小误差的作用。例如当所述可移动传声器2为1个时，可依次移动到各个测点位置；当所述可移动传声器2为2个时,可同时实现小间距、中间距和大间距中的任一间距两点的声强信息，比如放置在113和114两个测点处，先进行小间距的测量，也可以先测量中间距或者大间距；当所述可移动传声器2为6个时就可同时放在6个测点,进行一次性测量。所述可移动传声器2的数量可以根据实际情况进行选择。

所述支撑架8上部的一端固定有所述固定参考传声器1，所述支撑架8上部的另一端设有所述定位装置，所述定位装置包括动作部件和电机6，所述动作部件包括丝杠5和滑轨7。丝杠5一侧与电机6连接并随电机6运转，电机6外接电源、驱动器和控制器等部件驱使其运转。这就可使可移动传声器2在滑轨7上移动，实现可移动传声器2位置的自动调节。所述电机6可采用步进电机或者其它类型的电机。

所述定位装置中的丝杠5通过可移动传声器底座4与所述可移动传声器2相连，可移动传声器2是固定在可移动传声器底座4上的。丝杠5上有带有螺纹孔的可移动传声器底座4，丝杠转动角度与螺距的乘积就等于可移动传声器底座4在丝杠上的移动位移，从而促使可移动传声器2移动来改变其与固定参考传声器1之间的距离。需要说明的是，所述动作部件还可以采用曲柄滑块机构等其它机械结构。

一种全频带PP声强自动测量方法，包括以下步骤：

第一步，任选一个固定参考传声器1和至少一个可移动传声器2，固定参考传声器1和可移动传声器2之间的相位无须严格匹配，将声强自动测量装置放置于距离待测声源合适的位置；

第二步，测量过程中，固定参考传声器1的位置固定不动，采集所述固定参考传声器的声信号，本发明采用电机6的正反转来驱动可移动传声器2依次移动到6个测量位置点，并采集6个测点的声信号；移动方式并不局限于当前这种利用电机驱动丝杠的定位装置，比如还有曲柄滑块机械结构可实现往复运动定位定点功能，可移动传声器底座4相当于滑块结构，从而也获得6个测点的声信号。

第三步，以固定参考传声器1的声信号为共同参考基准，将可移动传声器2在6个测量位置点测得对应的声信号，将6个声信号分为小间距、中间距和大间距三组声信号，所述小间距、中间距和大间距分别对应高频段、中频段和低频段测量结果，将所述高频段、中频段和低频段组合后覆盖31.5 Hz~10 KHz的全频带段；

利用互谱法计算得到三个间距对应的声强，这样就可以用单传声器代替现有双传声器声强测量方法，解决了双传声器不一致的问题。其原理如下所述，以点10位置处的固定传声器1所测声信号为传递参考基准，通过可移动传声器2的移动获得6个测点的声信号，就可以直接计算6个测量位置点的声信号与参考传声器的声信号之间的第一传递函数，第一传递函数的计算公式为如下所示：

其中，H_r1表示参考点10与点111声压的第一传递函数；H_r2表示参考点10和点112声压的第一传递函数；H_r3表示参考点10和点113声压的第一传递函数；H_r4表示参考点10和点114声压的第一传递函数；H_r5表示参考点10和点115声压的第一传递函数；H_r6表示参考点10和点116声压的第一传递函数；H_r表示参考点10的声压；H₁、H₂、H₃、H₄、H₅和H₆表示点111、112、113、114、115和116的声压。

通过第一传递关系进而计算出三个间距位置组内两两测量位置点间的第二传递函数；第二传递函数的计算公式为如下所示：

其中 ₆₁表示点116与点111声压的第二传递函数；/> ₅₂表示点115与点112声压的第二传递函数；/> ₄₃表示点114与点113声压的第二传递函数；

第四步，利用互谱法原理对以上步骤中计算得到的第一传递函数和第二传递函数进行分析处理，得到声强自动测量装置所处位置的声强。具体计算公式为如下所示：

其中,表示点116与点111声压的互功率谱；/> ₅₂表示点115与点112声压的互功率谱；/> ₄₃表示点114与点113声压的互功率谱；/>表示点111声压的自功率谱；/>表示点112声压的自功率谱；/>表示点113声压的自功率谱。

得到互功率谱之后就可以计算声强。其公式如下所示：

其中I₆₁(f)表示点116与点111的间距S₁对应的声强谱；表示点115与点112的间距/> ₂对应的声强谱；/>表示点114与点113的间距/> ₃对应的声强谱；Im(G₆₁)表示点116与点111声压互功率谱的虚部；/>表示点115与点112声压互功率谱的虚部；/>表示点T5与点T6声压互功率谱的虚部；/>表示空气密度；/>表示角频率（圆频率）其值为2πf；S₁表示表示点116与点111的间距；/> ₂表示表示点115与点112的间距；/> ₃表示表示点114与点113的间距。

在第二步骤中，可移动传声器2在测量位置点之间的移动顺序不固定，可根据实际情况进行更改。例如在测量过程中参照图2的测点顺序依次按照6个测点位置定距移动定点停止，可以获得6个测点位置的声信号从而进行一系列的计算；可以先测量点114和点113两个测点，再分别移动到点115和点112、点116和点111，依次获得对应的高频段、中频段、低频段的测量结果；还可以按照节约时间提高效率或者实际需要进行调整，比如按照113、114、115、116、112、111的顺序进行移动；也可根据待测声源来选择任一对测点位置从而进行测量得到所需的声信号，这样测量顺序不仅节省时间而且测量结果精确等等移动顺序。

在第二步骤中，可移动传声器2在测量位置点之间的移动顺序为从一端到另一端的单方向逐点顺序移动。参见图2可移动传声器2单方向逐点顺序移动可以从点116到点111按从左到右的顺序依次移动，也可以从点111到点116按从右至左的顺序移动。

参见图2，待测声源中心9位于所述可移动传声器2的轴线上，且所述待测声源中心9与所述可移动传声器2之间没有其它物体阻隔。若存在其它物体，会导致可移动传声器2测不到声信号或者会导致测量结果存在误差，降低了测量的精度。二者之间保证无其它物体阻隔或者干扰，能够排除外部因素对测量的影响。

声强测试过程中，所述可移动传声器2的可移动位置包括6个测量位置点，参见图2，所述测量位置点处在同一条直线上，所述固定参考传声器1的位置点与所述6个测量位置点共线或不共线，所述6个测量位置点的正中间存在一个对称中心点110，6个测量位置点按照到对称中心点的距离分为对称分布的小间距、中间距和大间距三个间距位置组，每个间距位置组包括以所述对称中心点110为中心的两个测量位置点，三个间距位置组内的两个测量位置点的固定间距分别为小间距6 mm、中间距12 mm和大间距50 mm,要实现全频带测量,只需可移动传声器2进行六次定点移动，可实现全自动测量。

相比于传统声强测量系统，本发明申请的技术方案无需对传声器进行严格匹配的要求，显著降低了声强探头成本，大幅降低了固定声源的声强测量的难度。本发明申请的技术方案打破了现有PP声强测量中，可以无限接近声源，不受传感器尺寸的限制，大大提高了测量范围。本发明申请的技术方案测量效率更高，操作简单，非常有利于在声强测量中推广应用。

Claims

1. 一种全频带PP 声强自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2：测量过程中，固定参考传声器的位置固定不动，采集所述固定参考传声器的声信号，并采集可移动传声器依次移动到6 个测量位置点时的声信号；

S3：以固定参考传声器的声信号为共同参考基准，将所述移动传声器在6 个测量位置点测得对应的声信号，将6 个声信号分为小间距、中间距和大间距三组声信号，直接计算6个测量位置点的声信号与固定参考传声器的声信号之间的第一传递函数，通过第一传递关系进而计算出三个间距位置组内两个测量位置点间的第二传递函数；所述小间距、中间距和大间距分别对应高频段、中频段和低频段测量结果，将所述高频段、中频段和低频段组合后覆盖31.5Hz~10 KHz 的全频带段；

以参考点位置处的固定传声器所测声信号为传递参考基准，通过可移动传声器的移动获得6个测点的声信号，就可以直接计算6个测量位置点的声信号与参考传声器的声信号之间的第一传递函数，第一传递函数的计算公式为：

；

其中，H_r1表示参考点与第一个点声压的第一传递函数；H_r2表示参考点和第二个点声压的第一传递函数；H_r3表示参考点和第三个点声压的第一传递函数；H_r4表示参考点和第四个点声压的第一传递函数；H_r5表示参考点和第五个点声压的第一传递函数；H_r6表示参考点和第六个点声压的第一传递函数；H_r表示参考点的声压；H₁、H₂、H₃、H₄、H₅和H₆分别表示六个点的声压；

通过第一传递关系进而计算出三个间距位置组内两两测量位置点间的第二传递函数，第二传递函数的计算公式为：

；

其中，H₆₁表示第六个点与第一个点声压的第二传递函数；H₅₂表示第五个点与第二个点声压的第二传递函数；H₄₃表示第四个点与第三个点声压的第二传递函数；

S4：利用互谱法原理对上一步骤中计算得到的第一传递函数和第二传递函数进行分析处理，得到声强自动测量装置所处位置的声强，

计算公式为：

；

其中,G₆₁表示第六个点与第一个点声压的互功率谱；G₅₂表示第五个点与第二个点声压的互功率谱；G₄₃表示第四个点与第三个点声压的互功率谱；G₁₁表示第一个点声压的自功率谱；G₂₂表示第二个点声压的自功率谱；G₃₃表示第三个点声压的自功率谱;

得到互功率谱之后就可以计算声强，其计算公式为：

；

其中，I₆₁(f)表示第六个点与第一个点的间距S₁对应的声强谱；I₅₂(f)表示第五个点与第二个点的间距S₂对应的声强谱；I₄₃(f)表示第四个点与第三个点的间距S₃对应的声强谱；Im(G₆₁)表示第六个点与第一个点声压互功率谱的虚部；Im(G₅₂)表示第五个点与第二个点声压互功率谱的虚部；Im(G₄₃)表示第四个点与第三个点声压互功率谱的虚部；ρ表示空气密度；w表示角频率，其值为2πf；S₁表示第六个点与第一个点的间距；S₂表示第五个点与第二个点的间距；S₃表示第四个点与第三个点的间距。

2.根据权利要求1所述的全频带PP 声强自动测量方法，其特征在于，步骤S2 中，所述可移动传声器在测量位置点之间的移动顺序不固定。

3.根据权利要求1所述的全频带PP 声强自动测量方法，其特征在于，步骤S2 中，所述可移动传声器在测量位置点之间的移动顺序为从一端到另一端的单方向逐点顺序移动。

4.根据权利要求1所述的全频带PP 声强自动测量方法，其特征在于，待测声源中心位于所述可移动传声器的轴线上，且所述待测声源中心与所述可移动传声器之间没有其它物体阻隔。

5.根据权利要求1-4任一项所述的全频带PP 声强自动测量方法，其特征在于，声强测试过程中，所述可移动传声器的可移动位置包括6 个测量位置点，所述测量位置点处在同一条直线上，所述固定参考传声器的位置点与所述6 个测量位置点共线或不共线，所述6个测量位置点的正中间存在一个对称中心点，6 个测量位置点按照到对称中心点的距离分为对称分布的小间距、中间距和大间距三个间距位置组，每个间距位置组包括以所述对称中心点为中心的两个测量位置点，所述三个间距位置组内的两个测量位置点的固定间距分别为小间距6mm、中间距12 mm 和大间距50 mm。

6.根据权利要求1所述的一种全频带PP 声强自动测量方法，其特征在于，包括固定参考传声器和可移动传声器，所述固定参考传声器和可移动传声器之间以轴线共线或轴线平行的形式放置；所述固定参考传声器和所述可移动传声器之间的相位无须完全匹配；所述固定参考传声器为一个；还包括支撑架和定位装置，所述支撑架上部的一端固定有所述固定参考传声器，所述支撑架上设有所述定位装置，所述定位装置与所述可移动传声器相连，所述可移动传声器通过所述定位装置的移动来改变其与所述固定参考传声器之间的距离；所述可移动传声器至少为一个；所述定位装置包括动作部件和电机，所述电机驱使所述动作部件来实现所述可移动传声器位置的自动调节。