混響環(huán)境中聲場重構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

王　瀟，陳志敏，宋玉來，金江明，盧奐采*

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；3.嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001；4.浙江省信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

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混響環(huán)境中聲場重構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究

王瀟1，陳志敏2，宋玉來3，金江明4，盧奐采*1

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；3.嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001；4.浙江省信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

針對混響環(huán)境非自由聲場中聲源測量的問題，本文以消聲水池和混響水槽為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以換能器輻射的聲場為研究對象，以水聽器陣列為測量前端，進(jìn)行了混響環(huán)境非自由聲場中聲源對象的測量、分析和重構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究。通過單層水聽器陣列對非自由聲場進(jìn)行聲壓分布測量，并對測量結(jié)果作聲波分離處理，將分離前后的聲壓分布和在消聲水池中測量的聲壓分布進(jìn)行比較，給出了聲源頻率為5 000 Hz和7 000 Hz時(shí)，聲場重構(gòu)的誤差分析結(jié)果。結(jié)果表明，基于單層水聽器陣列聲壓測量的聲波分離方法，能夠較精確地對混響環(huán)境中的聲場進(jìn)行重構(gòu)。

混響環(huán)境；單層水聽器陣列；非自由聲場；聲波分離；聲場重構(gòu)

0　引言

混響水槽是很多實(shí)際物理環(huán)境的一個(gè)簡化模型，所以對其中的非自由聲場的研究將具有非常重要的意義?，F(xiàn)有的一些關(guān)于自由聲場重構(gòu)的研究，多是基于近場聲全息方法(Near field Acoustic Holography, NAH)[1-2]，NAH是通過靠近結(jié)構(gòu)表面的傳聲器陣列，采集聲源結(jié)構(gòu)發(fā)出的包含倏逝波聲信號，根據(jù)聲場逆運(yùn)算算法，重構(gòu)出不受聲波波長限制的高精度三維聲學(xué)圖像。

由于在非自由聲場中，無法用NAH方法準(zhǔn)確地重構(gòu)出聲壓的分布，需要通過聲波分離的方法來分離出目標(biāo)聲源輻射的聲場。PACHNER[3]和WEINREICH et al[4]使用2個(gè)不同半徑的同心球形傳聲器陣列進(jìn)行聲場分離，但都必須使用規(guī)則的共型球面?zhèn)髀暺麝嚵?；于飛 等[5]基于空間傅里葉變換，使用雙層平面陣列分離出目標(biāo)聲源單獨(dú)作用的聲場分布。上面都是基于聲壓的NAH建立的方法，畢傳興 等[6]和FERNANDEZ-GRANDE et al[7]首先基于粒子振速的NAH，使用雙層粒子速度測量面，后來又使用了單層聲壓-粒子速度測量面。同樣，這些方法都使用了雙聲學(xué)量作為聲場分離方法的輸入量。宋玉來 等[8]提出一種基于單全息面聲壓測量的聲波分離方法，只使用一個(gè)共形的聲壓測量面，通過聲場逆運(yùn)算的方法計(jì)算出來波和去波的系數(shù)，有效分離出目標(biāo)聲源輻射的聲場，達(dá)到重構(gòu)自由聲場的目的。

本文針對混響水槽中的非自由聲場環(huán)境，使用單層傳聲器陣列測量聲壓分布，運(yùn)用單全息面聲壓測量的聲波分離方法[8]，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，最終重構(gòu)出混響水槽中的目標(biāo)聲源輻射的聲場分布。

1　混響水槽中非自由聲場的測量實(shí)驗(yàn)

1.1測量系統(tǒng)

混響水槽的六面均為粗糙壁面，它的主要材質(zhì)是PVC材料，尺寸為1.2 m×0.5 m×0.5 m(長×寬×高)。聲源系統(tǒng)采用中心頻率可達(dá)10 kHz的換能器，單層水聽器陣列是自行設(shè)計(jì)的方形陣列，測點(diǎn)數(shù)為5×5，相鄰測點(diǎn)間距為6 cm，其中水聽器尺寸為25 mm×32 mm(直徑×高度)，水聽器的靈敏度為-199 dB，工作頻率為50～10 kHz。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是丹麥B & K公司的型號為PULSE Lan-XI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。具體的測量系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2實(shí)驗(yàn)布置

將單層傳聲器陣列置于換能器和混響水槽的近槽壁之間，具體尺寸為：與換能器的固定距離d2=5 cm，距近槽壁的距離d1=30 cm(圖2)。

圖1　混響水槽中聲場聲壓分布測量系統(tǒng)示意圖Fig.1　Schematic diagram of sound pressure distributionmeasurement system in reverberation tank

消聲水池中吸聲尖劈的性能指標(biāo)是信號頻率>5 kHz時(shí)，吸聲系數(shù)>0.9；消聲水池的材料是有機(jī)玻璃，尺寸為1.5 m×1.2 m×1.2 m(長×寬×高)。水聽器陣列與換能器的固定距離D2=5 cm，陣列位于水池的長邊的中間位置，距兩邊池壁的距離D1=D3=75 cm(圖3)。

圖2　頂蓋打開后混響水槽內(nèi)部布置圖Fig.2　Internal layout of reverberation tank when the roof was opened

圖3　全消聲水池中水聽器陣列與換能器的布置圖

2　測量結(jié)果分析與處理

根據(jù)單全息面聲壓測量的聲波分離方法，混響聲場中由換能器輻射的聲場響應(yīng)可由如下公式計(jì)算：

P′=TP

(1)

式中：P是一個(gè)25×1的列向量，由水聽器陣列直接測量的聲壓值組成，該聲壓是由時(shí)域聲壓值轉(zhuǎn)化到頻域的復(fù)聲壓值；P′是進(jìn)行聲波分離計(jì)算后的25×1的列向量，為重構(gòu)的水聽器陣列面上僅由換能器輻射的復(fù)聲壓分布；T是25×25的傳遞矩陣，T的定義詳見參考文獻(xiàn)[8].

復(fù)聲壓計(jì)算過程如下：實(shí)驗(yàn)中使用的水聽器陣列共25個(gè)測點(diǎn)，由pi(t)(i=1，2，…，25)表示。同時(shí)設(shè)置參考信號為pref(t)，從目標(biāo)聲源處獲取。水聽器測點(diǎn)處復(fù)聲壓的幅值，由該測點(diǎn)時(shí)域信號pi(t)的自功率譜密度函數(shù)(下面簡稱自譜)獲得，相位由該測點(diǎn)時(shí)域信號與參考信號pref(t)的互功率譜密度函數(shù)(下面簡稱互譜)獲得。每個(gè)水聽器測點(diǎn)處復(fù)聲壓由下式表示：

Pi(ω)=pi(ω)ejθi(ω)

(2)

復(fù)聲壓的相位為：

(3)

本文中考查2個(gè)誤差，第1個(gè)誤差為：直接測量的換能器在混響水槽內(nèi)的聲場分布，與直接測量的換能器在消聲水池內(nèi)的聲場分布的比較誤差；第2個(gè)誤差為：直接測量的換能器在混響水槽內(nèi)的聲場分布，經(jīng)聲波分離方法計(jì)算后，在混響水槽內(nèi)的聲場分布，與直接測量的換能器在消聲水池內(nèi)的聲場分布的比較誤差。誤差的定義由二范數(shù)表示，即：

(4)

式中：Pmeas是消聲水池內(nèi)測得的換能器輻射的聲場聲壓分布，P是混響水槽內(nèi)直接測量得到的聲場聲壓分布，或經(jīng)過聲波分離計(jì)算后得到的聲場聲壓分布。

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)布置和理論分析方法，在混響水槽內(nèi)測量頻率為5 000 Hz和7 000 Hz兩個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用聲波分離方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到圖4和圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1聲源頻率為5 000 Hz

在此工況下，混響水槽中直接測量的聲壓云圖如圖4a所示，分離后的聲壓云圖如圖4b所示?；祉懰壑兄苯訙y量的聲場分布與在消聲水池中直接測量的聲場分布的誤差為34.3%，分離后混響水槽中的聲場分布與在消聲水池中直接測量的聲場分布的誤差為15.0%，說明聲波分離后聲場重構(gòu)的精度得到顯著提高。同時(shí)觀察聲壓分布云圖發(fā)現(xiàn)，直接測量的聲壓云圖受混響環(huán)境噪聲的干擾嚴(yán)重，而聲波分離后的聲壓云圖減少了混響環(huán)境噪聲的影響，能較準(zhǔn)確地反映出目標(biāo)聲源單獨(dú)作用的聲場分布。

圖4　混響水槽中聲源頻率為5 000 Hz時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4　The experiment results of sound pressure distribution in reverberation tank when the source frequency was 5 000 Hz

圖5　混響水槽中聲源頻率為7 000 Hz時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5　The experiment results of sound pressure distribution in reverberation tank when the source frequency was 7 000 Hz

2.2聲源頻率為7 000 Hz

在此工況下，混響水槽中直接測量的聲壓云圖如圖5a所示，分離后的聲壓云圖如圖5b所示。混響水槽中直接測量的聲場分布與在消聲水池中直接測量的聲場分布的誤差為34.4%，分離后混響水槽中的聲場分布與在消聲水池中直接測量的聲場分布的誤差為12.3%，表明聲波分離后聲場重構(gòu)的精度得到較大提高。觀察聲壓分布云圖發(fā)現(xiàn)，聲波分離后的聲壓云圖受混響環(huán)境噪聲的影響變小。同時(shí)，比較圖4b和圖5b發(fā)現(xiàn)，7 000 Hz時(shí)聲波分離后聲壓云圖的精度比5 000 Hz時(shí)聲波分離后聲壓云圖的精度稍高，這是由于在7 000 Hz時(shí)，聲波的波長較短，能被水聽器陣列采集到一個(gè)完整的波長信息，故聲場重構(gòu)的精度較高。

3　小結(jié)

本文驗(yàn)證了單全息面聲壓測量的聲波分離方法適用于水下混響環(huán)境的非自由聲場。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)目標(biāo)聲源的頻率為5 000 Hz時(shí)，混響水槽中的聲場通過單全息面聲壓測量的聲波分離方法處理后，聲場重構(gòu)的精度誤差降低了19.3%；同樣，當(dāng)目標(biāo)聲源的頻率為7 000 Hz時(shí)，經(jīng)過單全息面聲壓測量的聲波分離方法處理后，混響水槽中聲場重構(gòu)的精度誤差降低了22.1%。以上2個(gè)工況說明了單全息面聲壓測量的聲波分離方法能有效地抑制混響環(huán)境噪聲的影響。

[1] WILLIAMS E G, MAYNARD J D, SKUDRZYK E. Sound reconstruction using a microphone array[J]. J Acoust Soc Am,1980,68(1):340-344.

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于飛,陳劍,陳心昭.雙全息面分離聲場技術(shù)及其在聲全息中的應(yīng)用[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2003,28(5):385-389.

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畢傳興,張永斌,徐亮,等．基于雙面質(zhì)點(diǎn)振速測量的聲場分離技術(shù)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2010,35(6):653-658.

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宋玉來，盧奐采，金江明.單層傳聲器陣列信號空間重采樣的聲波分離方法[J].物理學(xué)報(bào),2014,63(19):194305.

Experimental study of sound field reconstruction in reverberation environment

WANG Xiao1, CHEN Zhi-min2, SONG Yu-lai3, JIN Jiang-ming4, LU Huan-cai*1

(1.KeyLaboratoryofE&M,MinistryofEducation&ZhejiangProvince,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China; 2.CollegeofPowerEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China; 3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing314001,China; 4.KeyLaboratoryofSignalProcessingofZhejiangProvince,Hangzhou310014,China)

In order to solve the sound source measurement problem in the non-free sound field of reverberation environment, a method of sound field reconstruction was presented. In this method, we took measurement, analysis and reconstruction of the sound source. We chose the anechoic tank and reverberation tank as the experimental environment, the transducer as the simulation object, the hydrophone array as the frontend measurer. By using the single layer hydrophone array, the sound pressure distribution of non-free sound field was measured. Sound wave separation was conducted for the measurement results. The sound pressure distributions before and after the sound wave separation were respectively compared with those in the anechoic tank. At last we calculated the errors of sound field reconstruction. The sound field reconstruction errors were presented when the source frequencies were 5 000 Hz and 7 000 Hz. The results show that this sound wave separation method based on sound pressure measured by the single layer hydrophone array can reconstruct the sound field in reverberation environment accurately.

reverberation environment; signal hydrophone array; non-free sound field; sound wave separation; sound field reconstruction

2016-01-18

2016-04-03

王瀟(1987-)，男，江蘇泰興市人，主要從事水聲信號處理方面的研究。E-mail:wangxiao_svlab@163.com

盧奐采(1962-)，女，教授，主要從事聲學(xué)、振動(dòng)與高端裝備噪聲控制的研究。E-mail:huancailu@zjut.edu.cn

O422.2

A

1001-909X(2016)03-0086-05

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.014

王瀟，陳志敏，宋玉來，等.混響環(huán)境中聲場重構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究[J].海洋學(xué)研究,2016,34(3):86-90,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.014.

WANG Xiao, CHEN Zhi-min, SONG Yu-lai，et al. Experimental study of sound field reconstruction in reverberation environment[J].Journal of Marine Sciences,2016,34(3):86-90, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.014.