CN206563731U - 一种基于三维声强阵列的隔声测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于三维声强阵列的隔声测量系统；隔声测量系统在受声室中设有基于Labview的测量平台和正四面体声强探头；在声源室设有PC机、声卡、功放和十二面体扬声器；PC机、声卡、功放和十二面体扬声器依次连接；十二面体扬声器位于声源室的中心位置；在声源室和受声室之间设有待测试件和反射板，待测试件置于墙面中央，反射板位于待测试件外周，受声室和声源室通过待测试件和反射板完全分隔；PC机、声卡、功放和十二面体扬声器组成的原始信号输出模块。本实用新型测得的声强矢量包含幅值和相位等信息，不仅可以测量建筑构件的空气声隔声量，还可以通过计算方向从而预测噪声源的方位。

Description

一种基于三维声强阵列的隔声测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种隔声测量系统，特别是涉及一种基于三维声强阵列的隔声测量系统，属于建筑声学领域。

背景技术

随着室内声学、环境声学领域和的不断发展，现代声强测量技术在声功率测量、识别噪声源、测量材料吸声系数等方面显现出更大的优势。传统的双传声器法(p-p法)通过一个双通道FFT分析仪将测试的信号从时域转换到频，再计算互谱的虚部得到瞬时声强。这种测量方法的缺点是每次只能确定一条轴线上的声强，而至少通过3次的测量才能确定某点声强矢量。三维声强测试技术则可以同时测量三个方向的声强矢量，通过空间矢量的合成得出几何中心处的声强。因此三维声强测试技术具有精度高，抗干扰能力强，使用方便的特点，更有利于现场隔声量的测试。

当前建筑构件隔声的测量通常采用声压法。这种方法假设实验环境声能充分扩散，通过布置测点，分别计算声源室和接受室各点位声压的能量平均值，为了保证测量的精度，应对背景噪声进行修正。由于接受室各界面对声能均有不同程度的吸收，故还需计算接受室的混响时间。GB/T19889中给出了声压法测量构件空气声隔声的步骤和计算方法，对房间的尺寸，声源、传声器及测点的布置也做了相应的要求。传统的声压法不可避免的存在着背景噪声敏感，测量范围有限等缺点。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服现有技术的问题，提供一种可精确识别建筑构件的声学缺陷，操作简单，避免多次测量的基于三维声强阵列的隔声测量系统。

本实用新型目的通过如下技术方案实现：

一种基于三维声强阵列的隔声测量系统，包括受声室、声源室、基于Labview的测量平台、正四面体声强探头、反射板、PC机、声卡、功放和十二面体扬声器；在受声室1中设有基于Labview的测量平台和正四面体声强探头；在声源室设有PC机、声卡、功放和十二面体扬声器；PC机、声卡、功放和十二面体扬声器依次连接；十二面体扬声器位于声源室的中心位置；在声源室和受声室之间设有待测试件和反射板，待测试件置于墙面中央，反射板位于待测试件外周，受声室和声源室通过待测试件和反射板完全分隔；PC机、声卡、功放和十二面体扬声器组成的原始信号输出模块；

用于采集信号的正四面体声强探头放置在受声室，与待测试件的距离为1m；正四面体声强探头与基于Labview的测量平台连接；基于Labview的测量平台包括数据采集卡、嵌入式控制器和机箱；其中数据采集卡和嵌入式控制器均通过插槽与机箱相连；

正四面体声强探头由四个传声器组成，传声器阵列在空间构成正四面体，以正四面体几何中心为原点建立空间笛卡尔坐标系；一号传声器位于Z轴正半轴；四号传声器在XY面上的投影落在Y轴正半轴；二号传声器和三号传声器的连线则平行于X轴；一号传声器11的坐标为(0,0,R)，二号传声器的坐标为三号传声器的坐标为 四号传声器1的坐标为式中R表示正四面体外接球的半径。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述正四面体声强探头采用TetraMic型探头。

优选地，所述探头上传声器的规格为1/8～1/4英寸。

优选地，所述反射板与墙面顶棚和地面的交接处密封。

优选地，所述数据采集卡采用PCI‐4462板卡。

优选地，所述PC机安装Adobe Audition声学软件。

优选地，所述声卡为带有A/D转换的高频声卡；十二面体扬声器采用聚偏二氟乙烯薄膜作为发声材料。

应用所述隔声测量系统的基于三维声强阵列的测量方法，包括如下步骤：

1)由正四面体声强探头测得的四路信号传送至数据采集卡，噪声信号传送到嵌入式控制器，通过声强测量分析软件Labview进行信号分析与处理；保证声源室相邻三分之一倍频程声压级差值小于等于6dB，受声室各频段声压级均高出背景噪声15dB以上；

2)基于Labview的测量平台对受声室中采集的信号进行处理，声强测量分析系统的信号由数据采集卡采集得到(由于安装了嵌入式控制器则不再需要其他PC，直接通过PXI机箱运行WINDOWS操作系统)，通过Labview进行信号分析计算，得到到中心位置的声强在三个坐标轴方向上的矢量I_X、I_Y、I_Z；

3)根据中心位置的声强在三个坐标轴方向上的矢量I_X、I_Y、I_Z，结合式(5)、式(6)、式(7)式进一步计算中心位置声强幅值和方向；

|I|表示声强幅值；α为声强矢量在XY平面上的投影与X轴的夹角；β则为声强矢量在YZ平面上的投影与Z轴的夹角；

在待测构件两侧绘制网格，重复步骤2)、3)，得到构件两侧的声强分布；

4)计算待测构件的空气声隔声量；建筑构件隔声量定义为：

其中W₁表示入射至待测试件的声功率；W₂表示透过待测试件向接受室辐射的声功率；将测量面网格化，网格划分的密度决定了测量的精度，网格设置的大小由测量面的面积决定；对于每一单位格均存在下列关系：

W_2(i)＝I_2(i)S_i (9)

W_1(i)＝I_1(i)S_i (10)

其中W_2(i)表示第i个单位格透过试件向室内辐射的声功率，W_1(i)表示入射至第i个单位格的声功率；I_2(i)表示第i个单位格试件向接受室辐射的法向声强，I_2(i)表示入射至第i个单位格的法向声强；S_i则为第i个单位格的面积；式(8)表示为：

根据现场得到待测试件两侧各点的声强矢量I_1(i)和I_2(i)，将声强矢量沿法向的分量代入式(11)，最终得到试件空气声隔声量。

优选地，所述的中心位置的声强在三个坐标轴方向上的矢量I_X、I_Y、I_Z通过如下方法得到：

正四面体在几何上空间对称，中心位置的声压：

式(1)中p₁、p₂、p₃、p₄分别表示一号、二号、三号、四号传声器测得的声压，P₀则为几何中心位置的声压值；

沿两传声器连线方向的质点振动速度在频域中表示为：

V_i＝(P₂-P₁)/j2πfρd (2)

式(2)中j为虚数单位；f为频率；ρ为空气密度；d为双传声器的间距；结合正四面体的四个传声器的空间坐标，得到沿X、Y、Z三个方向的质点振速表达式：

式(3)中P_i为第i号传声器的声压，i＝1、2、3、4；由(1)、(3)式即得到正四面体传声器中心位置的声强谱沿X、Y、Z轴的分量：

其中G_ij表示第i号传声器和第j号传声器的单边互谱。

优选地，若声源室各界面均为吸声系数较小的反射面且设置了扩散构件，近似为扩散声场，满足：

利用三维声强探头在接受室中测得声强I_2(i)得到试件的空气声隔声量：

其中p₁为声源室中声压均方值。

本系统和传统的隔声测量方法相比，除了兼具声强法抑制侧向传声、漏声检测等特点外，还具有下列优点和效果：

1、较为直观的反映构件两侧的声能情况。利用三维声强技术可得到构件两侧不同的声强矢量，此声强矢量包含实时的幅值和相位信息，利用可视化技术即可得到此构件声强的时域分布。

2、可精确识别建筑构件的声学缺陷。由于测得的声强矢量具有方向性，因此本系统更适用于构件隔声的现场测量。若不考虑背景噪声的影响，本系统可较为精确的描述构件的声学缺陷。

3、操作简单，避免多次测量。若采用传统的声强法，要得到某点位的声强空间矢量至少测量三次，而实际操作中很难保证三次测量工况的一致性，因此往往误差较大且不易操作。而本系统则通过一次测量即可得到三个方向的声强分量，且不要求探头垂直于试件界面，从而降低了测量的工作量和随机误差。

附图说明

图1为一种基于三维声强阵列的隔声测量系统的示意图；

图2为图1中的正四面体声强探头的示意图；

图中示出：受声室1、声源室2、基于Labview的测量平台3、正四面体声强探头4、待测试件5、反射板6、PC机7、声卡8、功放9、十二面体扬声器10、一号传声器11、二号传声器12、三号传声器13、四号传声器14。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围，凡是根据本实用新型进行技术方案等同的变换，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型一种基于三维声强阵列的隔声测量系统可测量建筑构件两侧的声强矢量，进而得到建筑构件的空气声隔声量。

如图1所示，一种基于三维声强阵列的隔声测量系统，包括受声室1、声源室2、基于Labview的测量平台3、正四面体声强探头4、反射板6、PC机7、声卡8、功放9、十二面体扬声器10、一号传声器11、二号传声器12、三号传声器13和四号传声器14；在受声室1中设有基于Labview的测量平台3和正四面体声强探头4；在声源室2设有PC机7、声卡8、功放9和十二面体扬声器10；PC机7、声卡8、功放9和十二面体扬声器10依次连接；十二面体扬声器10位于声源室2的中心位置；在声源室2和受声室1之间设有待测试件5和反射板6，待测试件5置于墙面中央，反射板6位于待测试件5外周，受声室1和声源室2通过待测试件5和反射板6完全分隔，待测试件5与反射板6以及墙体的交接处密封；反射板6保证室内声能充分扩散。PC机7、声卡8、功放9、十二面体扬声器10组成的输出模块，用于生成原始信号。正四面体声强探头4放置在受声室1，与待测试件5的距离为1m，用于采集信号；正四面体声强探头4与基于Labview的测量平台3连接。测量系统通过正四面体声强探头4采集声音信号，基于Labview的测量平台3对采集的信号进行处理和计算。基于Labview的测量平台3包括数据采集卡、嵌入式控制器和PXI Express机箱。其中数据采集卡和嵌入式控制器均通过插槽与PXIExpress机箱相连，而三维声强探头则用于采集声音信号，并将其输送至信号数据采集卡。

本隔声测量系统选用Core Sound公司开发的TetraMic型探头。此声强探头由四个传声器组成，且这四个传声器在空间构成正四面体。从换能机理上看，TetraMic型探头属于驻极体电容式传声器，具有体积较小，音质良好，动态范围大的优点。

TetraMic型探头的频率响应经修正后可达到30Hz～18.5kHz(±2dB)。每个传声器的灵敏度为7mv/Pa，最大声压级为135dB。该声强探头的外接球半径约为12.5mm，若假设两两传声器相互匹配，利用TetraMic型探头测得的声强矢量在主要声频范围内满足幅值和方向性的精度要求。

本实用新型一种基于三维声强阵列的隔声测量系统数据采集卡采用NI开发的PCI‐4462板卡，可实现4路同步模拟输入。作为专为声音和振动应用而设计的高精度数据采集模块，NI PCI‐4462最高采样和更新速率达到204.8kS/s，具有118dB动态范围、24位sigma‐delta模数转换器(ADC)和6个不同的增益设置，能够精确测量动态范围较高的传声器。若需在测量的同时生成信号，则可将PCI‐4462和其它动态信号采集板卡(如PCI‐4461，两输入两输出)实现同步。N I PCI‐4462还可用于噪声排放测试、生产仪器测试、声全息、振动分析和机器运行状况监测等领域。

由于采用了嵌入式控制器，故本系统无需依靠外部PC对测量系统进行控制。嵌入式控制器集成了相应的标准设备，如集成CPU、硬盘、内存、以太网、视频、串口、USB和其他外设。它们适用于基于PXI或PXI Express的系统，用户还可根据控制器的类型选择相应的操作系统，如Windows或LabVIEW实时系统。

本实用新型PC机需安装Adobe Audition等声学软件用于生成信号；声卡为带有A/D转换的高频声卡；十二面体扬声器上的每一个小喇叭都可发出稳态的高频超声信号,通常采用聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜作为发声材料。

正四面体声强探头4由四个传声器组成，传声器阵列在空间构成正四面体，如图2所示。以正四面体几何中心为原点建立空间笛卡尔坐标系；一号传声器11位于Z轴正半轴；四号传声器14在XY面上的投影落在Y轴正半轴；二号传声器12和三号传声器13的连线则平行于X轴；由于同一点位得到的声强矢量仅取决于各传声器之间的相互关系，故实际测量中探头的方向不影响测量的结果。正四面体传声器阵列的空间分布如表1所示；一号传声器11的坐标为(0,0,R)，二号传声器12的坐标为三号传声器13的坐标为四号传声器13的坐标为式中R表示正四面体外接球的半径。探头上传声器的规格为1/8～1/4英寸。

表1：正四面体传声器阵列空间坐标

正四面体声强探头的大小由传声器的规格决定，每个传声器大小的取值范围为1/8～1/4英寸。

为了得到声强分量在各频段的分布，通过FFT在频域中计算声强。由于瞬时声强定义为声压和质点振速的乘积，故需要选用合适的方法对声压和振速进行估计。

由于正四面体在几何上空间对称，因此中心位置的声压可直接求算数平均，即：

式(1)中p₁、p₂、p₃、p₄分别表示一号、二号、三号、四号传声器测得的声压，P₀则为几何中心位置的声压估计值。

质点振动速度的估计是三维声强计算的关键。类比一维双传声器声强法，若位于X轴上的一对传声器声压分别为P₁和P₂，则沿两传声器连线方向的质点振动速度在频域中可以表示为：

V_i＝(P₂-P₁)/j2πfρd (2)

式(2)中j为虚数单位；f为频率；ρ为空气密度；d为双传声器的间距。结合正四面体的四个传声器的空间坐标，即可得到沿X、Y、Z三个方向的质点振速表达式：

式(3)中P_i(i＝1、2、3、4)为第i号传声器的声压。根据瞬时声强的定义，由(1)、(3)式即可得到正四面体传声器中心位置的声强谱沿X、Y、Z轴的分量：

其中G_ij表示第i号传声器和第j号传声器的单边互谱。(4)式得到中心位置的声强矢量(I_X、I_Y、I_Z)，可进一步计算此点位声强幅值和方向。

其中|I|表示声强幅值；α为声强矢量在XY平面上的投影与X轴的夹角；β则为声强矢量在YZ平面上的投影与Z轴的夹角。

运用本系统测量建筑构件隔声可直观反映构件两侧的声能分布情况，识别构件的声学缺陷，这是传统双传声器声强法难以实现的。

本系统用于隔声测量的一般步骤：

1)在声源室2和受声室1之间放置待测试件5，将十二面体扬声器10置于声源室2的中心位置。基于Labview的测量平台3对采集的信号进行处理和计算。基于Labview的测量平台3包括数据采集卡、嵌入式控制器和PXI Express机箱

2)将四通道正四面体声强探头4与虚拟设备相连，由正四面体声强探头测得的四路信号经过信号调理单元后传送至数据采集卡，噪声信号传送到嵌入式控制器，通过声强测量分析软件Labview进行信号分析与处理，正四面体声强探头4放置在受声室1，与待测试件5的距离为1m，用于采集信号。探头上传声器的规格为1/8～1/4英寸。

如图1所示，在声源室2中将PC机7与声卡8、功放9、十二面体扬声器10依次相连，用以生成测试用噪声信号。根据GB/T19889.1‐2005中对实验室声场的要求，保证声源室2相邻三分之一倍频程声压级差值小于等于6dB，同时受声室各频段声压级均高出背景噪声15dB以上。由于在声源室四周墙面布置扩散构件，室内各界面均为声反射面，从而保证室内声场应充分扩散，同时应注意空调设备的消声减噪。

3)根据式(1)～(7)，基于Labview的测量平台3对受声室1中采集的信号进行处理，具体实现过程即采用Labview程序开发软件编写程序。由于该软件自带信号处理函数，极大程度上实现软件的虚拟化，增加了系统的灵活性。声强测量分析系统的信号由数据采集卡采集得到，并通过Labview进行信号分析计算，得到该位置的声强矢量(I_X、I_Y、I_Z)。

4)根据式(4)中得到的声强矢量(I_X、I_Y、I_Z)，结合式(5)、式(6)、式(7)式可得到特定点位声强矢量幅值和角度的信息。在待测构件两侧绘制网格，重复步骤4)、5)，即可得到构件两侧的声强分布。

5)计算构件的空气声隔声量；建筑构件隔声量定义为：

其中W₁表示入射至试件的声功率；W₂表示透过待测试件向接受室辐射的声功率；由于声强定义为垂直于声波传播方向的单位面积的能量，而声强对测量面的积分结果即为辐射的声功率；若将测量面网格化，网格划分的密度决定了测量的精度，网格越密，精度越高，网格设置的大小由测量面的面积决定；对于每一单位格均存在下列关系：

W_2(i)＝I_2(i)S_i (9)

W_1(i)＝I_1(i)S_i (10)

其中W_2(i)表示第i个单位格透过试件向室内辐射的声功率，W_1(i)表示入射至第i个单位格的声功率；I_2(i)表示第i个单位格试件向接受室辐射的法向声强，I_2(i)表示入射至第i个单位格的法向声强；S_i则为第i个单位格的面积。因此式(8)可以表示为：

由于在现场测试中不存在声源室的扩散声场环境，因此需采用三维声强探头在试件两侧按设定路径扫描，扫描路径和方式严格参照GB/T 31004.2‐2014《声学建筑和建筑构件隔声声强法测量第2部分：现场测量》，根据式(4)即可分别得到两侧各点的声强矢量I_1(i)和I_2(i)，将声强矢量沿法向的分量代入式(11)，最终得到试件空气声隔声量。

若在实验中测量，由于声源室各界面均为吸声系数较小的反射面且设置了扩散构件，故可近似为扩散声场，故满足：

其中p₁为声源室中声压均方值，由式(13)可知，若在实验室中测量只需要利用三维声强探头在接受室中测得声强I_2(i)即可得到试件的空气声隔声量。

本实用新型和传统的双传声器声强法相比，基于三维声强阵列的隔声测量方法不仅能够得到构件的空气声隔声量R，同时还能直观反映构件两侧的声强矢量分布，预测构件的声学缺陷。由于一次性能测量三个方向的声强，减少了测量的次数，即降低了测量的随机误差。

Claims (7)

1.一种基于三维声强阵列的隔声测量系统，其特征在于，包括受声室、声源室、基于Labview的测量平台、正四面体声强探头、反射板、PC机、声卡、功放和十二面体扬声器；在受声室中设有基于Labview的测量平台和正四面体声强探头；在声源室设有PC机、声卡、功放和十二面体扬声器；PC机、声卡、功放和十二面体扬声器依次连接；十二面体扬声器位于声源室的中心位置；在声源室和受声室之间设有待测试件和反射板，待测试件置于墙面中央，反射板位于待测试件外周，受声室和声源室通过待测试件和反射板完全分隔；PC机、声卡、功放和十二面体扬声器组成的原始信号输出模块；

用于采集信号的正四面体声强探头放置在受声室，与待测试件的距离为1m；正四面体声强探头与基于Labview的测量平台连接；基于Labview的测量平台包括数据采集卡、嵌入式控制器和机箱；其中数据采集卡和嵌入式控制器均通过插槽与机箱相连；

正四面体声强探头由四个传声器组成，传声器阵列在空间构成正四面体，以正四面体几何中心为原点建立空间笛卡尔坐标系；一号传声器位于Z轴正半轴；四号传声器在XY面上的投影落在Y轴正半轴；二号传声器和三号传声器的连线则平行于X轴；一号传声器（11）的坐标为(0,0,R)，二号传声器的坐标为三号传声器的坐标为 四号传声器1的坐标为式中R表示正四面体外接球的半径。

2.根据权利要求1所述的基于三维声强阵列的隔声测量系统，其特征在于，所述正四面体声强探头采用TetraMic型探头。

3.根据权利要求1所述的基于三维声强阵列的隔声测量系统，其特征在于，所述探头上传声器的规格为1/8～1/4英寸。

4.根据权利要求1所述的基于三维声强阵列的隔声测量系统，其特征在于，所述待测试件与墙体以及反射板的交接处密封。

5.根据权利要求1所述的基于三维声强阵列的隔声测量系统，其特征在于，所述数据采集卡采用PCI‐4462板卡。

6.根据权利要求1所述的基于三维声强阵列的隔声测量系统，其特征在于，所述PC机安装Adobe Audition声学软件。

7.根据权利要求1所述的基于三维声强阵列的隔声测量系统，其特征在于，所述声卡为带有A/D转换的高频声卡；十二面体扬声器采用聚偏二氟乙烯薄膜作为发声材料。