CN117804520A - 一种用于声学成像仪检定的系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及声学测量技术领域，解决了现有技术中缺少能够对声学成像仪各项性能的校准和检定的设备，公开了一种用于声学成像仪检定的系统及调节方法，该系统包括动作单元，所述动作单元包括控制器和动作模块，所述动作模块用于根据上位机的指令驱动发声单元进行移动并返回发声单元的位置信息；发声单元，所述发声单元用于根据上位机的音频控制信号发出用于对声学成像仪进行校准和检定的声信号；测量单元，所述测量单元用于检测发声单元所发出的声压级，能够对声学成像仪的声成像精度、横向空间分辨能力、阵列动态范围、级线性等性能进行校准和检定，能够精准的调节声源位置且操作方便，支持自动和手动两种模式对声源的参数信息进行调节。

Description

一种用于声学成像仪检定的系统及调节方法

技术领域

本申请涉及声学测量技术领域，尤其是一种用于声学成像仪检定的系统及调节方法。

背景技术

声学成像仪检定主要用于对声学成像仪的各类性能参数进行校准和检定，采用数字信号处理技术开发，模块化设计，具有高控制精度，数据实时读取反馈、拆装快捷、操作方便等优点。

目前市场上，数字化的声学成像仪作为一种较为新颖的设备种类，此类校准检定设备需要满足声源频率范围广、实现声源信号的自动调节、便于连接所需测试设备实时读取声信号参数，可以用作声学成像仪的校准检定装置在市场上还没有出现，因此，一款能满足以上需求的校准检定设备是现在市场所需要的。

发明内容

本申请的目的在于克服现有技术中缺少能够对声学成像仪各项性能的校准和检定的设备，提供一种用于声学成像仪检定的系统及调节方法。

第一方面，提供了一种用于声学成像仪检定的系统，包括：

动作单元，所述动作单元包括控制器和动作模块，所述控制器与上位机电性连接，所述控制器与动作模块控制连接，所述动作模块用于根据上位机的指令驱动发声单元进行移动并返回发声单元的位置信息；

发声单元，所述发声单元用于根据上位机的音频控制信号发出用于对声学成像仪进行校准和检定的声信号；

测量单元，所述测量单元用于检测发声单元所发出的声压级。

进一步的，所述动作模块包括一个或多个滑轨，所述滑轨上安装有可转动的滚珠丝杆，所述滑轨的一端均固定有用于驱动滚珠丝杆的步进电机，所述滚珠丝杆上均安装有由滚珠丝杆驱动进行平移的声源安装平台，所述步进电机电性连接有驱动器，所述驱动器与控制器电性连接。

进一步的，所述步进电机为伺服步进电机，所述伺服步进电机配置有用于检测伺服步进电机的转轴角位移信息的编码器，所述编码器与控制器电性连接。

进一步的，所述滚珠丝杆的两端分别安装有清零限位开关和满程限位开关，所述清零限位开关和满程限位开关均与控制器电性连接。

进一步的，所述发声单元包括音频信号发生器、功率放大器和扬声器，所述音频信号发生器与控制器电性连接，所述功率放大器与音频信号发生器电性连接，所述扬声器与功率放大器电性连接。

进一步的，所述发声单元的数量设置为一个或多个且扬声器分别安装于声源安装平台上，所述扬声器的出声通道沿出声方向呈缩小态势，所述出声通道的发声口的内径为8-12mm。

进一步的，所述测量单元包括测量传声器、前置级放大器和测量放大器，所述测量传声器与前置级放大器电性连接，所述前置级放大器与测量放大器电性连接，所述测量放大器与控制器电性连接。

第二方面，提供了一种音频信号发生器输入参数信息的自动调节方法，包括如第一方面中任意一种实现方式中所述的用于声学成像仪检定的系统，所述自动调节方法包括：

S101、获取需要播放的第一声信号的参数信息，其中，所述参数信息包括以下信息中的至少一种信号频率、幅值和衰减幅度；

S102、将所述参数信息发送至发声单元，以使发声单元根据所述参数信息发出第二声信号；

S103、获取测量单元所检测到的第二声信号的实测声压级；

S104、计算所述实测声压级与目标声压级的差值，并判断所述差值是否小于第一预设阈值；

响应于所述差值小于第一预设阈值，则调节完成。

进一步的，还包括：

响应于所述差值大于或等于第一预设阈值，则进入调节程序并在第一次进入调节程序时开始计时，并判断计时是否小于第二预设阈值；

响应于所述计时小于第二预设阈值，则根据所述差值对所述参数信息进行调节并将调节后的参数信息发送至发声单元，以使发声单元根据所述参数信息发出第二声信号，并继续执行步骤S103；

响应于所述计时大于或等于第二预设阈值，则调节失败。

第三方面，提供了一种音频信号发生器输入参数信息的手动调节方法，包括如第一方面中任意一种实现方式中所述的用于声学成像仪检定的系统，所述手动调节方法包括：

S201、获取用户所输入的需要播放的声信号的参数信息，其中，所述参数信息包括以下信息中的至少一种信号频率、幅值和衰减幅度；

S202、将所述参数信息发送至发声单元，以使发声单元根据所述参数信息发出声信号；

S203、获取测量单元所检测到的第二声信号的实测声压级并显示。

本申请具有如下有益效果：本申请能够对声学成像仪的声成像精度、横向空间分辨能力、阵列动态范围、级线性等性能进行校准和检定，能够精准的控制声源进行位移并实时获取声源的位置信息，并通过上位机实时显示参数信息以及实测声压级，并且能够自动完成对参数信息的优化调节，从而能够提高检定效率，降低操作难度，其次，采用模块化设计支持多个声源同时工作能够对声学成像仪的横向空间分辨能力进行检定和校准，并且本申请具有具有高控制精度、数据实时读取反馈以及操作方便等优点。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用于来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统的电气连接框图；

图2是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统中动作单元的结构框图；

图3是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统中动作模块的结构示意图；

图4是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统中发声单元的结构框图；

图5是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统中扬声器和变截面管的结构示意图；

图6是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统中扬声器和变截面管的侧视图；

图7是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统中扬声器和变截面管的主视图；

图8是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统中测量单元的结构框图；

图9是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统连接一个扬声器的上位机界面示意图；

图10是本申请实施例1的用于声学成像仪检定的系统连接两个扬声器的上位机界面示意图；

图11是本申请实施例2的音频信号发生器输入参数信息的自动调节方法的流程图；

图12是本申请实施例2中用于声学成像仪检定的系统的工作示意图；

图13是本申请实施例3的音频信号发生器输入参数信息的手动调节方法的流程图。

附图标记：

100、动作单元；101、控制器；102、动作模块；1021、滑轨；1022、滚珠丝杆；1023、步进电机；1024、声源安装平台；1025、驱动器；1026、清零限位开关；1027、满程限位开关；200、发声单元；201、音频信号发生器；202、功率放大器；203、扬声器；204、变截面管；300、测量单元；301、测量传声器；302、前置级放大器；303、测量放大器；400、上位机；500、声学成像仪。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本申请实施例1所涉及的一种用于声学成像仪检定的系统，包括动作单元100、发声单元200、测量单元300和上位机400。

如图2所示，为动作单元100，所述动作单元100包括控制器101和动作模块102，所述控制器101与上位机400电性连接，所述控制器101与动作模块102控制连接，所述动作模块102用于根据上位机400的指令驱动发声单元200进行移动并返回发声单元200的位置信息；

具体的，控制器101可以是常规的控制器101，也可以是控制器101，控制器101具备RS232通信接口和RS485通信接口，RS232通信接口用于与测量放大器303和音频信号发生器201通信，RS485通信接口用于与上位机400通信，选用RS232通信和RS485通信保证了通信信号质量，支持远距离架设设备。

动作模块102包括一个或多个滑轨1021，所述滑轨1021上安装有可转动的滚珠丝杆1022，所述滑轨1021的一端均固定有用于驱动滚珠丝杆1022的步进电机1023，所述滚珠丝杆1022上均安装有由滚珠丝杆1022驱动进行平移的声源安装平台1024，所述步进电机1023电性连接有驱动器1025，所述驱动器1025与控制器101电性连接，在使用时，将扬声器203安装固定在声源安装平台1024上即可，通过控制步进电机1023工作能够驱动滚珠丝杆1022转动进而驱动声源安装平台1024和扬声器203沿着滑轨1021进行平移。

示例性的，如图3所示，为两个滑轨1021的动作模块102的安装示意图，两个滑轨1021可以通过上位机400分别控制两个声源的位置，用于检定和校准声学成像仪500的横向空间分辨能力、阵列动态范围等参数。

在进行检定工作时，控制器101对步进电机1023的驱动器1025发送转速和方向信号，通过读取驱动器1025发出的反馈信号实时获取步进电机1023的转速和转动圈数，通过滚珠丝杆1022的螺距参数可以计算出声源在滚珠丝杆1022上产生位移量，在滚珠丝杆1022两端安装有清零限位开关1026和满程限位开关1027，用于为声源安装平台1024标记零点和限制最高行程。

在进一步的实施例中，步进电机1023可以选用57步进电机1023，转动精度高，扭矩高达2NM，保证声源在移动时不产生丢步现象，另外，步进电机1023也可以选用伺服步进电机1023，所述伺服步进电机1023配置有用于检测伺服步进电机1023的转轴角位移信息的编码器，所述编码器与控制器101电性连接，能够通过编码器对伺服步进电机1023的角位移信息进行检测并反馈，以精准的获取伺服步进电机1023的转动圈数，通过上位机400能够控制步进电机1023工作，进而达到控制声源安装平台1024上扬声器203进行位置调节的目的，操作声源移动方便，且位移精度高。

发声单元200，所述发声单元200用于根据上位机400的音频控制信号发出用于对声学成像仪500进行校准和检定的声信号；

如图4所示，发声单元200包括音频信号发生器201、功率放大器202和扬声器203，所述音频信号发生器201与控制器101电性连接，所述功率放大器202与音频信号发生器201电性连接，所述扬声器203与功率放大器202电性连接；

具体的，发声单元200的音频信号发生器201选用符合声级计级线性检定要求的信号发生器，具有程控接口与计算机等配合可组成声级计自动测试系统，通过控制器101转接发送的上位机400信号实现在上位机400实时控制音频信号发生器201的输出信号的幅度和频率；

功率放大器202选用失真小、频响曲线平坦、低噪音、重放音色柔和耐听、抗干扰能力强、具有短路电流及过热保护功能的仪器；

发声单元200的数量设置为一个或多个且扬声器203分别安装于声源安装平台1024上，扬声器203的数量具体可以根据需求进行设置，需要注意的是，当设置发声单元200多个扬声器203时，即扬声器203以及与扬声器203所配套的音频信号发生器201和功率放大器202均设置为多个，示例性的，如图11所示，设置两个发声单元200，就需要两个扬声器203（即声源），则每个扬声器203均需要连接一组功率放大器202和音频信号发生器201用于产生两个声源，滑轨1021的数量也设置为两个且连成一条直线，通过控制步进电机1023工作能够调节来两个生源之间的距离，从而能够对声学成像仪500的横向空间分辨能力进行检定和校准，扬声器203选用高音扬声器203其频响范围可达2kHz-40kHz，频响范围广，声源信号质量符合要求，适合普通和超声类型的声学成像仪500的校准和检定，满足不同声学成像仪500检定需求，扬声器203的出声通道沿出声方向呈缩小态势，所述出声通道的发声口的内径为8-12mm，示例性的，如图5-图7所示，扬声器203设计有变截面管204，使声源发声口直径仅为10mm，最大限度地保证了声信号的质量，从而能够提高对声学成像仪500校准和检定的精度。

测量单元300，所述测量单元300用于检测发声单元200所发出的声压级。

如图8所示，测量单元300包括测量传声器301、前置级放大器302和测量放大器303，所述测量传声器301与前置级放大器302电性连接，所述前置级放大器302与测量放大器303电性连接，所述测量放大器303与控制器101电性连接。

具体的，测量传声器301选用完全国产化的传声器，频响范围广，可以测量频率最高40kHz的声信号；前置级放大器302同样采用国产器件，其输入电阻很高，输入电容很小，输出阻抗很低的特种放大器，用来与测试传声器配合，进行阻抗变换和前置放大；测量放大器303选用具有多功能、双通道输入、动态范围大、精度高、稳定性好、操作简单的国产放大器，使用RS232通信协议，支持远距离架设设备，适合消声室环境内使用，通过控制器101转接发送的上位机400信号实现在上位机400实时读取声源信号参数，为声源的自动调节提供反馈和参考。

上位机400通过RS485通信与控制器101连接，通过控制器101转接后实现与音频信号发生器201和测量放大器303的通信。在上位机400上通过测量放大器303的反馈信号，实现对音频信号发生器201发生信号即声源信号的自动和手动控制，图9为单设备检定的上位机400界面示意图，图10为双设备检定的上位机400界面示意图，在上位机400界面中具有以下功能：设置连接串口号和波特率、显示控制器101与上位机400的连接状态、设置目标声压级以及显示当前测量放大器303所测得的实测声压级、能够进行音频信号发生器201的自动调试模式和手动调试模式的切换、实时显示当前音频信号发生器201的输出信号电压和频率、通过图标、进度条和数字显示直观的显示声源的实时位置信息以及能够对声源位置进行控制和调节，上位机400操界面简洁，操作方便，数据指示明确易读取。

实施例2

如图11所示，本申请实施例2所涉及的一种音频信号发生器201输入参数信息的自动调节方法，包括如实施例1中任意一种实施方式中所述的用于声学成像仪检定的系统，所述自动调节方法包括：

S101、获取需要播放的第一声信号的参数信息，其中，所述参数信息包括以下信息中的至少一种信号频率、幅值和衰减幅度；

S102、将所述参数信息发送至发声单元200，以使发声单元200根据所述参数信息发出第二声信号；

S103、获取测量单元300所检测到的第二声信号的实测声压级；

S104、计算所述实测声压级与目标声压级的差值，并判断所述差值是否小于第一预设阈值；

响应于所述差值小于第一预设阈值，则调节完成。

响应于所述差值大于或等于第一预设阈值，则进入调节程序并在第一次进入调节程序时开始计时，并判断计时是否小于第二预设阈值；

响应于所述计时小于第二预设阈值，则根据所述差值对所述参数信息进行调节并将调节后的参数信息发送至发声单元200，以使发声单元200根据所述参数信息发出第二声信号，并继续执行步骤S103；

响应于所述计时大于或等于第二预设阈值，则调节失败。

需要说明的是，声学成像仪500检定装置主要对声学成像仪500的声成像精度、横向空间分辨能力、阵列动态范围、级线性等性能进行校准和检定。

使用时输入目标声源的声压级和频率，输入声源目标位置信息，即可等待声学成像仪500检定装置自动调节。自动调节完成后会显示调节完成的指示，接着读取声学成像仪500中的声源位置信息（即所发声的扬声器203的位置信息），与输入的声源位置对比，误差是否在接受限以内，以此来校准和检定声成像精度；声源声信号幅值以10 dB步进衰减，记录每一次信号变化时声学成像仪500的示值变化量，以此来校准和检定声学成像仪500的级线性。

如图12所示，用于声学成像仪检定的系统整体示意图中所示的装置连接了两套扬声器203（即两个声源），在对声学成像仪500的横向空间分辨能力进行检定和校准。两个发声单元200同时发声，在声学成像仪500中可以分辨出两个声源。逐渐减小两个声源的距离，直到声学成像仪500中两个声源定位刚好同时稳定显示，此时两个声源的距离即声学成像仪500在该频点下的横向空间分辨力。

调节声源1的声压级，直到声学成像仪500可以同时显示两个声源定位结果的极限，且显示界面中不出现其他声成像，记录声源1在声学成像仪500显示的声压级和声源2在声学成像仪500显示的声压级。将声源1的声压级调回初始状态，使得在声学成像仪500中可以同时看到两个声成像，逐步调节声源2的声压级，直到声学成像仪500可以同时显示两个声源定位结果的极限，记录声源1在声学成像仪500显示的声压级差和声源2在声学成像仪500显示的声压级差。由以下公式得到该频点下的传声器阵列动态范围D：

其中，为初始状态时声源1和声源2在声学成像仪500显示的声压级差，为调节声源2的声压级直到声学成像仪500可以同时显示两个声源定位结果的极限时声源1和声源2在声学成像仪500显示的声压级差。

实施例3

如图13所示，本申请实施例3所涉及的一种音频信号发生器201输入参数信息的手动调节方法，包括如实施例1中任意一种实施方式中所述的用于声学成像仪检定的系统，所述手动调节方法包括：

S201、获取用户所输入的需要播放的声信号的参数信息，其中，所述参数信息包括以下信息中的至少一种信号频率、幅值和衰减幅度；

S202、将所述参数信息发送至发声单元200，以使发声单元200根据所述参数信息发出声信号；

S203、获取测量单元300所检测到的第二声信号的实测声压级并显示。

需要说明的是，在该实施例中，主要依靠用户手动对声信号的参数信息进行条件，并依靠用户来判断所测声压级是否符合需求，上位机400仅仅是将测量单元300所检测到的第二声信号的实测声压级并显示给用户，而对声学成像仪500的检定与实施例2中的检定方法相同，为避免冗余，此处不再赘述。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式；但本申请的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于声学成像仪检定的系统，其特征在于，包括：

动作单元，所述动作单元包括控制器和动作模块，所述控制器与上位机电性连接，所述控制器与动作模块控制连接，所述动作模块用于根据上位机的指令驱动发声单元进行移动并返回发声单元的位置信息；

发声单元，所述发声单元用于根据上位机的音频控制信号发出用于对声学成像仪进行校准和检定的声信号；

测量单元，所述测量单元用于检测发声单元所发出的声压级。

2.根据权利要求1所述的用于声学成像仪检定的系统，其特征在于，所述动作模块包括一个或多个滑轨，所述滑轨上安装有可转动的滚珠丝杆，所述滑轨的一端均固定有用于驱动滚珠丝杆的步进电机，所述滚珠丝杆上均安装有由滚珠丝杆驱动进行平移的声源安装平台，所述步进电机电性连接有驱动器，所述驱动器与控制器电性连接。

3.根据权利要求2所述的用于声学成像仪检定的系统，其特征在于，所述步进电机为伺服步进电机，所述伺服步进电机配置有用于检测伺服步进电机的转轴角位移信息的编码器，所述编码器与控制器电性连接。

4.根据权利要求2所述的用于声学成像仪检定的系统，其特征在于，所述滚珠丝杆的两端分别安装有清零限位开关和满程限位开关。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于声学成像仪检定的系统，其特征在于，所述发声单元包括音频信号发生器、功率放大器和扬声器，所述音频信号发生器与控制器电性连接，所述功率放大器与音频信号发生器电性连接，所述扬声器与功率放大器电性连接。

6.根据权利要求5所述的用于声学成像仪检定的系统，其特征在于，所述发声单元的数量设置为一个或多个且扬声器分别安装于声源安装平台上，所述扬声器的出声通道沿出声方向呈缩小态势，所述出声通道的发声口的内径为8-12mm。

7.根据权利要求1所述的用于声学成像仪检定的系统，其特征在于，所述测量单元包括测量传声器、前置级放大器和测量放大器，所述测量传声器与前置级放大器电性连接，所述前置级放大器与测量放大器电性连接，所述测量放大器与控制器电性连接。

8.一种音频信号发生器输入参数信息的自动调节方法，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的用于声学成像仪检定的系统，所述自动调节方法包括：

S101、获取需要播放的第一声信号的参数信息，其中，所述参数信息包括以下信息中的至少一种信号频率、幅值和衰减幅度；

S102、将所述参数信息发送至发声单元，以使发声单元根据所述参数信息发出第二声信号；

S103、获取测量单元所检测到的第二声信号的实测声压级；

S104、计算所述实测声压级与目标声压级的差值，并判断所述差值是否小于第一预设阈值；

响应于所述差值小于第一预设阈值，则调节完成。

9.根据权利要求8所述的音频信号发生器输入参数信息的自动调节方法，其特征在于，还包括：

响应于所述差值大于或等于第一预设阈值，则进入调节程序并在第一次进入调节程序时开始计时，并判断计时是否小于第二预设阈值；

响应于所述计时小于第二预设阈值，则根据所述差值对所述参数信息进行调节并将调节后的参数信息发送至发声单元，以使发声单元根据所述参数信息发出第二声信号，并继续执行步骤S103；

响应于所述计时大于或等于第二预设阈值，则调节失败。

10.一种音频信号发生器输入参数信息的手动调节方法，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的用于声学成像仪检定的系统，所述手动调节方法包括：

S201、获取用户所输入的需要播放的声信号的参数信息，其中，所述参数信息包括以下信息中的至少一种信号频率、幅值和衰减幅度；

S202、将所述参数信息发送至发声单元，以使发声单元根据所述参数信息发出声信号；

S203、获取测量单元所检测到的第二声信号的实测声压级并显示。