CN117395588A - 一种定向发声设备的声场测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向发声设备的声场测试方法及系统，所述方法包括设定至少覆盖住定向发声设备的发声面的测试范围，所述测试范围包括多个测试点；通过对所有的测试点进行逐个扫频测试，得到对应的测试数据；对测试数据进行实时读取，并根据测试数据实时生成一声场分布图。本发明通过测试平面内或空间内定向发声设备的声音能量分布，并通过图像的形式将声场分布情况进行可视化的展示，从而可以从图像中直观地得到声场的分布情况、声场的均匀度以及声波的偏转方向等，对定向发声设备的性能分析、验证及改进具有重要的参考意义。
Description
技术领域
本发明涉及声场测试技术领域，具体涉及一种定向发声设备的声场测试方法。
背景技术
超声换能器是指将电能转换为声能的器件，其在一定的三维空间内可以形成特定的声场分布。超声换能器声场的分布与换能器的形状、尺寸、材料、频率等因素有关，声束在近场区和远场区受到声波指向性、扩散角、干涉等影响表现出复杂的声场分布特征；另一方面，为了满足不同的检测需求，超声换能器技术和种类得到了广泛的发展，如平面非聚焦换能器、点聚焦换能器、线聚焦换能器、相控阵换能器阵列等，不同类型的换能器具有不同特征的辐射声场，所以直观、准确的测试超声换能器的声场，对于提升换能器性能、理解换能器的发声特征等具有重要的意义。
但是现有的超声换能器的测试方法需要建立复杂昂贵的测试系统，且同样无法可视化的测量换能器声场的声场分布，所以有必要提供一种新型的声场测试方案，以克服现有测试方法存在的上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定向发声设备的声场测试方法及系统。
为实现上述目的，一方面，本发明提出了一种定向发声设备的声场测试方法，包括：
S1，设定至少覆盖住定向发声设备的发声面的测试范围，所述测试范围包括多个测试点；
S2，通过对所有的所述测试点进行逐个扫频测试，得到对应的测试数据；
S3，对所述测试数据进行实时读取，并根据所述测试数据实时生成一声场分布图，所述声场分布图用于显示出声场在所述测试范围内的分布情况。
在一优选实施例中，所述测试范围为二维的测试平面或者为三维的立体测试空间。
在一优选实施例中，所述测试范围为二维的测试平面时，所述S1中设定所述测试范围包括：
S11，通过确定所述测试平面的特征参数，来确定所述测试平面的位置，所述特征参数包括测试平面的顶点位置，或者测试平面的圆心和半径；
S12，再设定所述测试平面内所述测试点的位置。
在一优选实施例中，所述测试范围为三维的立体测试空间时，所述S1中设定所述测试范围还包括：
S13，再设定垂直于所述测试平面方向上的多个测试位置。
在一优选实施例中，所述测试范围为二维的测试平面时，所述S2包括:S21,按照设定的测试路径对所述测试平面内的所有所述测试点进行逐个扫频测试，每测试完一个测试点，就得到所述测试点对应的点测试数据，所有所述点测试数据组成一个测试平面的所述测试数据。
在一优选实施例中，所述测试范围为三维的立体测试空间时，所述S2还包括:S22,测试完一个测试平面后，依次移动到垂直于所述测试平面的各个所述测试位置，在每个测试位置重复执行所述S21，从而得到多个测试平面的测试数据，所述多个测试平面的测试数据组成所述立体测试空间的测试数据。
在一优选实施例中，所述S3包括：由所述测试数据得到对应数量的像素点的像素图，采用数值计算方法对所述像素图进行放大处理，再对放大后的像素图进行上色，对不同声压级的像素点标记不同的颜色，从而生成用颜色标记声场在测试范围内的分布情况的所述声场分布图。
另一方面，本发明提出了一种定向发声设备的声场测试系统，包括：
操控设备，用于设定至少覆盖住定向发声设备的发声面的测试范围，所述测试范围包括多个测试点；
测试设备，与所述操控设备相连且固定一拾音设备，用于在所述操控设备设定好测试范围后，带动拾音设备到测试范围的各个测试点对定向发声设备进行拾音；
电控箱，与所述测试设备相连，用于对拾音设备拾音得到的声音信号进行扫频测试，得到对应的测试数据，并对所述测试数据进行实时读取，根据所述测试数据实时生成一声场分布图，所述声场分布图用于显示出声场在所述测试范围内的分布情况。
在一优选实施例中，所述测试设备包括X轴模组、Z轴模组和Y轴模组，所述拾音设备与所述Z轴模组相滑动连接，在所述Z轴模组的驱动下沿z轴方向来回移动；所述Z轴模组与所述X轴模组相滑动连接，带动所述拾音设备沿x轴方向来回移动；所述X轴模组与所述Y轴模组相滑动连接，带动X轴模组和拾音设备整体沿x轴方向来回移动，每个轴模组均包括一驱动电机和与驱动电机相连的滑动组件，所述驱动电机与所述操控设备相连。
在一优选实施例中，所述电控箱包括音频分析仪和声场图像生成系统，所述音频分析仪用于对拾音设备拾音得到的声音信号进行扫频测试，得到对应的测试数据；所述音频分析仪用于对所述测试数据进行实时读取，并由所述测试数据得到对应数量的像素点的像素图，采用数值计算方法对所述像素图进行放大处理，再对放大后的像素图进行上色，对不同声压级的像素点标记不同的颜色，从而生成用颜色标记声场在测试范围内的分布情况的所述声场分布图。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过测试平面内或空间内定向发声设备的声音能量分布，并通过图像的形式将抽象的声音数据进行可视化的展示，从而可以从图像中直观地得到声场的分布情况、声场的均匀度以及声波的偏转方向等，对定向发声设备的性能分析、验证及改进具有重要的参考意义。
2、本发明通过自主设计测试设备及在音频分析仪中增设声场图像生成系统，并将改进后的操控设备、测试设备及音频分析仪搭建成一声场测试平台，实现对定向发声设备的自动化扫频测试以及对声场测试数据的可视化展示，且系统简单、易操作。
附图说明
图1为本发明测试系统的框图示意图；
图2为本发明一实施例中测试设备的立体结构示意图；
图3为本发明一实施例中测试系统与定向发声设备的结构示意图；
图4为本发明一实施例中定向发声设备的结构示意图；
图5为本发明一实施例中生成的声场分布图示意图；
图6为本发明测试方法的流程示意图。
附图标记为：
1、操控设备，2、测试设备，21、X轴模组，22、Z轴模组，23、Y轴模组，24、固定支架，25、驱动电机，26、滑动组件，3、电控箱，31、音频分析仪，32、声场图像生成系统，4、定向发声设备，41、振动层，42、支撑结构，43、基材层，44、振动间隙，45、顶电极，46、底电极，5、拾音设备。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，本发明实施例所揭示的一种定向发声设备的声场测试系统，包括操控设备1、测试设备2及电控箱3，其中，操控设备1与测试设备2相连，用于对测试设备2的运行进行操控，实施时，操控设备1可以是一触摸屏，该触摸屏包括一配置界面，该配置界面用于配置设定测试范围的配置参数，不同的测试范围对应不同的配置参数。实施时，测试范围可以是一二维的测试平面，也可以是一三维的立体测试空间。测试范围优选至少能覆盖住定向发声设备4的发声面，当然本发明也适用测试范围小于或等于定向发声设备4的发声面的情况。
测试范围的形状与测试设备2上拾音设备5的移动路径相对应，若测试范围是一二维的测试平面时，则测试设备2上拾音设备5只需在二维平面（如OXZ平面）上进行移动，若测试范围是一三维的立体测试空间时，则测试设备2上拾音设备5除了在二维平面上进行移动外，还需在垂直于二维平面的方向（即y方向）进行移动，从而形成三维的立体测试空间。
在一具体实施例中，若测试范围为一位于OXZ平面的矩形测试平面，该矩形测试平面与定向发声设备4的发声面相平行，则配置界面具体配置测试平面四个顶点的位置，用于确定测试平面的位置。除了设置顶点位置外，还需设置测试范围内测试点的位置，在该实施例中，测试点按多行多列排布，配置时，可以通过设置x轴方向上测试点的点位数量及z轴方向上测试点的点位数量来确定测试范围内各测试点的位置。具体地，当确定了测试平面的四个顶点位置后，通过x轴方向的两个顶点之间的距离及x轴方向上测试点的点位数量进行均分，可以得到每行（即x轴方向）测试点的测试位置，同理，通过z轴方向的两个顶点之间的距离及z轴方向上测试点的点位数量进行均分，可以得到每列（即z轴方向）测试点的测试位置。当然本发明的二维测试平面不限定于是矩形测试平面，也可以是其他形状的测试平面，配置时，可以根据每个平面对应的特征参数来确定测试平面的位置。如测试平面也可以是圆形的，圆形的时，则配置界面可以通过配置圆形测试平面的圆点和半径来确定测试平面的位置。
配置界面还可配置测试设备的测试路径，在一具体实施例中，可以设置测试路径为S形的测试路径。
若测试范围是一位于Oxyz平面的立体测试空间时，则配置界面除了要配置上述二维测试平面的配置参数外，还需配置y轴方向的测试距离和测试点位数，由该测试距离和测试点位数得到y轴方向的各个测试位置。本发明对测试点的数量不做限定，理论上来说，测试点数越多生成的声场分布图像越精准。
操控设备1配置完测试范围的配置参数后，发送对应的配置指令给测试设备2。
测试设备2与操控设备1相电连接，用于在操控设备1的配置指令作用下对测试范围内的所有测试点进行逐个扫频测试，得到对应的测试数据。
具体地，测试设备2为一新型的自动扫频设备，用于在操控设备1设定的测试范围内自动化移动拾音设备5（如麦克风）到各个测试点对定向发声设备4进行拾音，并结合电控箱3进行扫频测试。本实施例中，如图2所示，测试设备2具体包括X轴模组21、Z轴模组22和Y轴模组23，其中，拾音设备5与Z轴模组22相滑动连接，具体可通过一固定支架24与Z轴模组22相连，拾音设备5在Z轴模组22的驱动下可沿z轴方向来回移动。Z轴模组22与X轴模组21相滑动连接，带动拾音设备5沿x轴方向来回移动；X轴模组21与Y轴模组23相滑动连接，带动X轴模组21和拾音设备5整体沿x轴方向来回移动。本实施例中，沿Y方向设置两组相平行的Y轴模组23，X轴模组21的前后两端分别与对应端的Y轴模组23相连，带动拾音设备5沿Y轴左右（即远离或靠近定向发声设备的方向）移动。
实施时，上述每个轴模组（包括X轴模组21、Z轴模组22和Y轴模组23）均包括一驱动电机25和与驱动电机25相连的滑动组件26，其中，驱动电机25与上述操控设备1相连，每轴的驱动电机25在操控设备1的控制下驱动对应的滑动组件26滑动到对应位置。实施时，滑动组件26可采用现有较成熟的滑块（图未示）和与滑块配合的导轨结构（图未示）实现，这里不做赘述。
工作时，如图3所示，将定向发声设备4置于测试设备2的前方（即y轴方向上），定向发声设备4的发生面与Oxz平面相平行，且在标准测试中，定向发声设备4的发声面与拾音设备之间在y轴方向的距离设定为1m。在一具体实施例中，如测试范围一矩形测试平面，该平面内的测试点总数为150×90，即每行150个测试点，每列90个测试点，则x轴方向的驱动电机25驱动拾音设备5从初始测试点开始，沿x轴方向依次移动到第一行的各个测试点进行拾音，直至移动到第一行的最后一测试点。之后按S形测试路径，y轴方向的驱动电机25驱动拾音设备5从第一行的最后一测试点沿y轴方向移动到第二行的最后一个测试点，再从该测试点开始沿x轴方向移动到第二行的第一个测试点，依此类推，直至拾音设备5移动到测试范围内的最后一个测试点，则该测试设备2运行结束，将整个设定的矩形测试平面覆盖。拾音设备5在每个测试点对定向发声设备4与测试点相对应的发声位置进行拾音，拾音后将拾音得到的声音信号发送给电控箱3，由电控箱3中的音频分析仪31对该测试点进行扫频测试，每进行一扫频测试则得到一测试数据，具体是一excel文件数据，拾音设备5拾音结束，则可以得到150×90个excel文件数据，即一个测试平面的测试数据。若测试范围是一立体测试空间，则拾音设备5在一个测试平面拾音结束后，还沿y轴方向移动到下一个测试平面重复进行该测试平面的扫频测试，直至该立体测试空间内所有测试点测试结束，则可以得到多个测试平面的测试数据。
电控箱3与测试设备2相连，用于对拾音设备5拾音得到的声音信号进行扫频测试，得到对应的测试数据，并对测试数据进行实时读取，根据测试数据实时生成一声场分布图，声场分布图用于显示出声场在测试范围内的分布情况。本实施例中，电控箱3包括上述音频分析仪31和增设的一用软件语言（如C++）编写实现的声场图像生成系统32，该声场图像生成系统32用于由测试数据得到对应数量的像素点的像素图，采用数值计算方法对像素图进行放大处理，再对放大后的像素图进行上色，对不同声压级的像素点标记不同的颜色，从而生成用颜色标记声场在测试范围内的分布情况的声场分布图。从该声场分布图中，至少可以得到声场的均匀度、声场的偏转方向和声音衰减中的任意一种或两种以上的组合等信息。如上面150×90的矩形测试平面，即一共测试了150×90个测试点，则得到一个矩阵测试数据，相当于是一张150×90像素点的像素图，之后对该像素图采用数值计算方法（如插值算法）进行放大处理，如放大到1500×900，当然还放大步骤也可以省略，之后再对像素图进行上色，如按声压级（dB）竖直线性渐变的方式确定颜色，设置几个阶梯，如dB>= 80的标记为红包、dB>=60的标记为黄色，dB>=40的标记为蓝色。如图5为150×90的矩形测试平面的声场分布图，从该图中可以很直观明显的看出，在水平方向上90~100的测试点的点位区间中，声压能量是最高的，这体现了定向发声设备4良好的声音指向性，并在两边逐渐的减弱，说明定向发声设备4的指向性效果明显。且从该图中，还可以看出定向发声设备4的声场是不均匀的，即可以用于测试定向发声设备4的声场性能测试，且声场的偏转方向是向右偏转的，可以用于验证定向发声设备的声波偏转情况，由于会定期更改定向发声设备的定向声的算法，从而通过此方法测试，可以了解到定向声算法的实际表现情况，也可以判断产品的发声情况是否是均匀的，声音的集中分布在哪个位置，如果测试三维的立体测试空间，还能直观的测试出，产品的可靠距离是多少，在距离多少的位置声音效果最好，也可以测试出产品最佳的使用距离，声音在什么位置聚焦等。
实施时，如图4所示，本发明的定向发声设备4可以是静电式的薄膜超声换能器，其具体结构包括振动层41、支撑结构42和基材层43，其中，振动层41和基材层43边框相贴合，支撑结构42位于振动层41和基材层43之间，用于提供振动层31振动所需的振动间隙44。振动层41靠近基材层43的一端设置有顶电极45，基材层43靠近振动层41的一端设置有底电极46，通过给顶电极45和底电极46施加直流电压Vdc和交流电压Vac，振动层41在直流电压Vdc的作用下向靠近基材层43的方向吸附，且在交流电压Vac的作用下振动发声。当然，本发明的定向发声设备4也可以是由多个按阵列排布的压电式超声换能器组成的超声换能器阵列，本发明对此不做限定，适用于所有的超声换能器，另外，本发明优选用于定向发声设备的声场测试，当然也可以适用于普通扬声器的声场测试。
基于上述测试系统，如图6所示，本发明还揭示了一种定向发声设备的声场测试方法，包括以下步骤：
S1，设定至少覆盖住定向发声设备4的发声面的测试范围，所述测试范围包括多个测试点。
其中，当测试范围为二维的测试平面时，所述S1中设定测试范围包括：
S11，通过确定测试平面的特征参数，来确定测试平面的位置，特征参数包括测试平面的顶点位置，或者测试平面的圆心和半径；
S12，再设定测试平面内测试点的位置。
当测试范围为三维的立体测试空间时，所述S1中设定所述测试范围还包括：
S13，再设定垂直于测试平面方向上的多个测试位置。
步骤S1可由上述操控设备1执行，且如何设定测试范围可参照上述操控设备1中的描述，这里不做赘述。
S2，通过对所有的测试点进行逐个扫频测试，得到对应的测试数据。
当测试范围为二维的测试平面时，所述S2包括:S21,按照设定的测试路径对测试平面内的所有测试点进行逐个扫频测试，每测试完一个测试点，就得到测试点对应的点测试数据，所有点测试数据组成一个测试平面的测试数据。
当测试范围为三维的立体测试空间时，所述S2还包括: S22,测试完一个测试平面后，依次移动到垂直于测试平面的各个测试位置，在每个测试位置重复执行步骤S21，从而得到多个测试平面的测试数据，多个测试平面的测试数据组成立体测试空间的测试数据。
实施时，该步骤可由上述测试设备和电控箱中的音频分析仪31配合实现，具体实现过程可参照上述测试设备1和电控箱3中的描述，这里不做赘述。
S3，对测试数据进行实时读取，并根据测试数据实时生成一声场分布图，声场分布图用于显示出声场在测试范围内的分布情况。
具体地，所述S3包括：由测试数据得到对应数量的像素点的像素图，采用数值计算方法对像素图进行放大处理，再对放大后的像素图进行上色，对不同声压级的像素点标记不同的颜色，从而生成用颜色标记声场在测试范围内的分布情况的声场分布图。
其中，该步骤可由上述电控箱3中增设的声场图像生成系统32实现，具体实现过程可参照上电控箱中的描述，这里不做赘述。
本发明的优点在于，1、本发明通过测试平面内或空间内定向发声设备的声音能量分布，并通过图像的形式将声场分布情况进行可视化的展示，从而可以从图像中直观地得到声场的分布情况、声场的均匀度以及声波的偏转方向等，对定向发声设备的性能分析、验证及改进具有重要的参考意义。2、本发明通过自主设计测试设备及在音频分析仪中增设声场图像生成系统，并将改进后的操控设备、测试设备及音频分析仪搭建成一声场测试平台，实现对定向发声设备的自动化扫频测试以及对声场测试数据的可视化展示，且系统简单、易操作。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种定向发声设备的声场测试方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，设定至少覆盖住定向发声设备的发声面的测试范围，所述测试范围包括多个测试点；
S2，通过对所有的所述测试点进行逐个扫频测试，得到对应的测试数据；
S3，对所述测试数据进行实时读取，并根据所述测试数据实时生成一声场分布图，所述声场分布图用于显示出声场在所述测试范围内的分布情况。
2.如权利要求1所述的一种定向发声设备的声场测试方法，其特征在于，所述测试范围为二维的测试平面或者为三维的立体测试空间。
3.如权利要求2所述的一种定向发声设备的声场测试方法，其特征在于，所述测试范围为二维的测试平面时，所述S1中设定所述测试范围包括：
S11，通过确定所述测试平面的特征参数，来确定所述测试平面的位置，所述特征参数包括测试平面的顶点位置，或者测试平面的圆心和半径；
S12，再设定所述测试平面内所述测试点的位置。
4.如权利要求3所述的一种定向发声设备的声场测试方法，其特征在于，所述测试范围为三维的立体测试空间时，所述S1中设定所述测试范围还包括：
S13，再设定垂直于所述测试平面方向上的多个测试位置。
5.如权利要求4所述的一种定向发声设备的声场测试方法，其特征在于，所述测试范围为二维的测试平面时，所述S2包括:S21,按照设定的测试路径对所述测试平面内的所有所述测试点进行逐个扫频测试，每测试完一个测试点，就得到所述测试点对应的点测试数据，所有所述点测试数据组成一个测试平面的所述测试数据。
6.如权利要求5所述的一种定向发声设备的声场测试方法，其特征在于，所述测试范围为三维的立体测试空间时，所述S2还包括: S22,测试完一个测试平面后，依次移动到垂直于所述测试平面的各个所述测试位置，在每个测试位置重复执行所述S21，从而得到多个测试平面的测试数据，所述多个测试平面的测试数据组成所述立体测试空间的测试数据。
7.如权利要求1所述的一种定向发声设备的声场测试方法，其特征在于，所述S3包括：由所述测试数据得到对应数量的像素点的像素图，采用数值计算方法对所述像素图进行放大处理，再对放大后的像素图进行上色，对不同声压级的像素点标记不同的颜色，从而生成用颜色标记声场在测试范围内的分布情况的所述声场分布图。
8.一种定向发声设备的声场测试系统，其特征在于，所述系统包括：
操控设备，用于设定至少覆盖住定向发声设备的发声面的测试范围，所述测试范围包括多个测试点；
测试设备，与所述操控设备相连且固定一拾音设备，用于在所述操控设备设定好测试范围后，带动拾音设备到测试范围的各个测试点对定向发声设备进行拾音；
电控箱，与所述测试设备相连，用于对拾音设备拾音得到的声音信号进行扫频测试，得到对应的测试数据，并对所述测试数据进行实时读取，根据所述测试数据实时生成一声场分布图，所述声场分布图用于显示出声场在所述测试范围内的分布情况。
9.如权利要求8所述的一种定向发声设备的声场测试系统，其特征在于，所述测试设备包括X轴模组、Z轴模组和Y轴模组，所述拾音设备与所述Z轴模组相滑动连接，在所述Z轴模组的驱动下沿z轴方向来回移动；所述Z轴模组与所述X轴模组相滑动连接，带动所述拾音设备沿x轴方向来回移动；所述X轴模组与所述Y轴模组相滑动连接，带动X轴模组和拾音设备整体沿x轴方向来回移动，每个轴模组均包括一驱动电机和与驱动电机相连的滑动组件，所述驱动电机与所述操控设备相连。
10.如权利要求8所述的一种定向发声设备的声场测试系统，其特征在于，所述电控箱包括音频分析仪和声场图像生成系统，所述音频分析仪用于对拾音设备拾音得到的声音信号进行扫频测试，得到对应的测试数据；所述音频分析仪用于对所述测试数据进行实时读取，并由所述测试数据得到对应数量的像素点的像素图，采用数值计算方法对所述像素图进行放大处理，再对放大后的像素图进行上色，对不同声压级的像素点标记不同的颜色，从而生成用颜色标记声场在测试范围内的分布情况的所述声场分布图。
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