基于DIRAC的聲場無線測試系統(tǒng)應(yīng)用與對比

萬宇鵬，謝榮基，桂 桂

（中國測試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所，四川 成都 610021）

基于DIRAC的聲場無線測試系統(tǒng)應(yīng)用與對比

萬宇鵬，謝榮基，桂 桂

（中國測試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所，四川 成都 610021）

室內(nèi)聲學(xué)脈沖反向積分法能夠快捷全面地測量部分聲學(xué)參數(shù)，但傳統(tǒng)測試受限于系統(tǒng)中各種設(shè)備的有線連接方式。為更加科學(xué)高效地進(jìn)行各種規(guī)格的廳堂聲學(xué)測試，該文基于脈沖反向積分法針對丹麥B&K4942和德國Sennheiser MKH800 P48兩種傳聲器在有線模式和無線模式的3種情況下進(jìn)行包括早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20、混響時(shí)間T30、音樂明晰度C80、語言清晰度D50等客觀音質(zhì)參數(shù)的測量。測量結(jié)果顯示在100～8000Hz中高頻頻段范圍內(nèi)測試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測試方法相比有較高的復(fù)合度，可以在各類廳堂場館的現(xiàn)場工程測試中使用。通過不同測試模式的對比初步驗(yàn)證無線測試系統(tǒng)在廳堂聲學(xué)測量中的可行性與可靠性。

聲學(xué)；無線測試系統(tǒng)；DIRAC；客觀音質(zhì)參數(shù)

0 引 言

近15年是我國演藝建筑的發(fā)展黃金時(shí)期，期間新建了超過200項(xiàng)大型或超大型演藝建筑，建設(shè)集群總投資近千億元[1]。這種背景下，近年陸續(xù)竣工的新建演藝建筑和運(yùn)營時(shí)間超過10年的待維護(hù)演藝建筑的數(shù)量也逐漸龐大起來，如何科學(xué)、高效地進(jìn)行建筑聲學(xué)指標(biāo)的測試與評(píng)估就成了聲學(xué)工作者需要解決的問題。按照傳統(tǒng)的測試方法，測試系統(tǒng)在測試信號(hào)采集前端主要采用測試電容傳聲器連接測量前置放大器再連通到聲卡等設(shè)備上來進(jìn)行聲音信號(hào)的采集，其主要問題在當(dāng)面對體量較大的場館廳堂時(shí)測試布線不方便，也不安全。在傳統(tǒng)的測試方法上也多采用中斷聲源法來進(jìn)行信號(hào)的激勵(lì)與處理，其重復(fù)性和穩(wěn)定性存在一定問題。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO自2007年起陸續(xù)對例如ISO 3382-1、ISO 3382-2等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，國內(nèi)相關(guān)部門如住建部與國家質(zhì)檢總局等也對混響時(shí)間測量規(guī)范進(jìn)行了修訂，從而為建筑聲學(xué)指標(biāo)的測試與評(píng)估提供了標(biāo)準(zhǔn)支持[2-5]。因?yàn)檠菟嚱ㄖ囊?guī)模體量有大有小，為了更科學(xué)、更高效地進(jìn)行建筑聲學(xué)的測試與音質(zhì)評(píng)價(jià)，本文采用3種傳聲器聲音信號(hào)采集模式進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，嘗試找到一種快捷且精確的測量系統(tǒng)來解決大型廳堂的客觀聲學(xué)參數(shù)測量問題。

1 測試方法與特點(diǎn)

基于脈沖反向積分法來測量混響時(shí)間[6]：

式中：S（t）——穩(wěn)態(tài)噪聲的聲壓衰減函數(shù)，尖括號(hào)表示群體平均；

r（x）——被測房間的脈沖聲響應(yīng)；

N——譜密度。

在混響時(shí)間測量的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3382中，脈沖反向積分法和聲源切斷法都是被承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)測量方法[5]。

采用脈沖反向積分法進(jìn)行測量時(shí)，首先用脈沖聲對房間進(jìn)行激勵(lì)，記錄下房間的脈沖響應(yīng)，對這個(gè)脈沖響應(yīng)的平方進(jìn)行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。由于對脈沖響應(yīng)進(jìn)行了積分，得到的聲能衰減曲線比較平滑、波動(dòng)起伏小且單調(diào)下降。反向積分使小信號(hào)先進(jìn)濾波器，濾波器的穩(wěn)定時(shí)間較短。在沒有背景噪聲的理想條件下，積分區(qū)間從聲壓為零開始到脈沖接收初始點(diǎn)結(jié)束，衰減曲線的方程為

式中p為脈沖響應(yīng)聲壓。

計(jì)算得到衰減曲線后，根據(jù)聲能降低的斜率計(jì)算出混響時(shí)間[7]。

采用脈沖反向積分法測量有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）重復(fù)性好，普遍認(rèn)為1次脈沖反向積分法的測量精度與10次聲源切斷法的平均值相當(dāng)。

2）測量時(shí)記錄脈沖響應(yīng)，還可以同時(shí)得到早期衰減時(shí)間EDT等其他輔助聲學(xué)參數(shù)。

2 測試平臺(tái)的搭建

本次對比實(shí)驗(yàn)基于丹麥B&K的DIRAC測試系統(tǒng)進(jìn)行，測試和輸出端采用DELL筆記本電腦、2734B功率放大器、正十二面體標(biāo)準(zhǔn)聲源、0948音頻接口、4231聲校準(zhǔn)器、1704 CCLD信號(hào)放大器等作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件基礎(chǔ)。系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)框圖

在聲音信號(hào)采集前端，傳聲器的有線連接模式是現(xiàn)有聲場測試現(xiàn)場最常用的測試方式，這種模式普遍應(yīng)用于廳堂場館的聲學(xué)測試中，其優(yōu)點(diǎn)是：1）標(biāo)準(zhǔn)傳聲器性能優(yōu)異；2）有線連接方式數(shù)據(jù)傳輸安全可靠；3）經(jīng)過長期的工程測試驗(yàn)證，原始記錄準(zhǔn)確。

其缺點(diǎn)是有線連接模式只能應(yīng)用于中小體量的建筑場館內(nèi)，如果遇到大型體育場館或音樂廳，傳聲器的布點(diǎn)范圍受限于連接線的長度，而且連線方式影響了布點(diǎn)的效率，如需要進(jìn)行滿場狀態(tài)下測試，這種方式可能會(huì)給測試現(xiàn)場帶來大麻煩（一次測量可能耗時(shí)2h以上），甚至不能完成正常的測試流程。

所以針對不同規(guī)模室內(nèi)聲場空間的現(xiàn)場測試考慮，本次實(shí)驗(yàn)采用了4942傳聲器有線連接模式、4942傳聲器無線連接模式和MKH800 P48傳聲器無線連接模式3種不同的聲音信號(hào)采集方式來進(jìn)行對比，如圖2～圖4所示。此處之所以將消聲箱中校準(zhǔn)過的MKH800 P48傳聲器也作為測量用傳聲器來使用，是因?yàn)榈淏&K的所有傳聲器都是全指向性傳聲器，不能進(jìn)行8字型拾音模式的調(diào)制，在現(xiàn)場情況下無法滿足對側(cè)向聲能LF/LFC的測試。

3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與測試數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)選用測試院的標(biāo)準(zhǔn)視聽室作為測試現(xiàn)場。其聲學(xué)裝修主要包括吸聲和擴(kuò)散處理，在天花板中填充吸聲材料，使頻率特性保持平直與均衡。在房間低頻的簡正頻率處適當(dāng)加強(qiáng)吸聲，防止駐波的影響。其次，在四面墻面鋪設(shè)擴(kuò)散板，使聲場擴(kuò)散均勻。標(biāo)準(zhǔn)視聽室中，除了音響系統(tǒng)外，還有視頻系統(tǒng)及照明系統(tǒng)，各部分電路系統(tǒng)應(yīng)相互獨(dú)立，防止引入電噪聲。視聽室的裝修后的幾何尺寸按1∶1.4∶1.9的比例設(shè)計(jì)，尺寸為7.6 m×5.5 m×4 m；體積為167 m3；設(shè)計(jì)混響時(shí)間為0.3s[9]。

本次實(shí)驗(yàn)依據(jù)參考ISO 3382-1和ISO 3382-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，主要針對早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20、混響時(shí)間T30、音樂明晰度C80、語言清晰度D50這5個(gè)指標(biāo)[8]進(jìn)行對比和評(píng)估。3種不同傳聲器連接模式下測得的聲學(xué)參數(shù)原始記錄如表1～表3所示。

圖2 B&K 4942傳聲器頻響曲線圖

圖3 MKH800 P48頻響曲線圖（全指向模式）

圖4 全指向性極坐標(biāo)圖［8］

表1 B&K 4942傳聲器有線連接模式下測試數(shù)據(jù)

表2 B&K 4942傳聲器無線連接模式下測試數(shù)據(jù)

表3 MKH800 P48傳聲器無線連接模式下測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)果分析與對比

實(shí)驗(yàn)通過對3種不同傳聲器連接模式得到的測試數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計(jì)，針對上述的早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20/T30/RT等指標(biāo)進(jìn)行了測試原始數(shù)據(jù)的對比，得到各個(gè)客觀參數(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)對比圖如圖5～圖10所示?？梢钥闯鲈诒额l帶下，除了31.5Hz和63Hz的測試結(jié)果有較大偏差外，其他中高頻段數(shù)據(jù)相差很小，完全滿足廳堂現(xiàn)場工程測試的需要。

圖5 早期衰減時(shí)間EDT數(shù)據(jù)對比圖

圖6 混響時(shí)間T20數(shù)據(jù)對比圖

圖7 混響時(shí)間T30數(shù)據(jù)對比圖

圖8 混響時(shí)間RT數(shù)據(jù)對比圖

以最傳統(tǒng)4942傳聲器有線連接模式測得得數(shù)據(jù)值作為參考值來計(jì)算各種方法的相對誤差，結(jié)果如表4所示。

表4 以4942傳聲器有線連接模式為參考的各參數(shù)相對誤差

5 結(jié)束語

從上述測試結(jié)果及分析可以得出以下結(jié)論：

1）基于DIRAC的4942、ZE0948、2734B、1704等設(shè)備組成的測試系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)與過往基于PULSE系統(tǒng)的測試值相比，其復(fù)現(xiàn)性和重復(fù)性都很好，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

圖9 明晰度C80數(shù)據(jù)對比圖

圖10 清晰度D50數(shù)據(jù)對比圖

2）整個(gè)測量中，其在100Hz以下低頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測試方法相比有較大出入，某些典型頻率點(diǎn)相對誤差在10%以上。

3）整個(gè)測量中，其在100 Hz以上頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測試方法相比復(fù)合程度較高，采用4942傳聲器的無線系統(tǒng)誤差范圍除去個(gè)別測點(diǎn)普遍在3%以內(nèi)。

4）整個(gè)測量中，其在100Hz以上頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測試方法相比復(fù)合程度較高，采用MKH800傳聲器的無線系統(tǒng)誤差范圍除去各別測點(diǎn)普遍在2%以內(nèi)。

5）基于DIRAC的無線系統(tǒng)在大型場館中應(yīng)用方便，其低頻范圍內(nèi)數(shù)據(jù)有所偏差，但中高頻段數(shù)據(jù)可靠性很高，可以嘗試在大型廳堂場館的現(xiàn)場工程測試中使用。

6）MKH無線系統(tǒng)與B&K傳聲器對比，數(shù)據(jù)誤差范圍穩(wěn)定性稍差，可以通過多次測量來解決該部分問題，其相對誤差相較傳統(tǒng)方法更低，又因?yàn)锽&K麥克風(fēng)沒有8字型指向性話筒，在一些聲場測試局限性，MKH800無線系統(tǒng)可以取代B&K麥克風(fēng)用于大型工程的測試[10]。

本次實(shí)驗(yàn)尚存在一些不足之處，如本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闀r(shí)間的限制，沒有進(jìn)行LF/LFC/IACC的系統(tǒng)對比測試；本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闂l件的限制，沒有進(jìn)行大型體育場館的對比測試等。

[1]章奎生，宋擁民.我國近20年新建劇院及音樂廳的音質(zhì)檢測與評(píng)價(jià)研究[R].南京：2014年全國聲學(xué)設(shè)計(jì)與演藝建筑工程學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告，2014.

[2]室內(nèi)混響時(shí)間測量規(guī)范：GB/T 50076—2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3]廳堂擴(kuò)聲特新測量方法：GB/T 4959—2011[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4]Acoustics-Measurement of room acoustic parameters-Part 1：Performance spaces：ISO 3382-1：2009[S].2009.

[5]Acoustics-Measurement of room acoustic parameters-Part 2：Reverberation time in ordinary rooms：ISO 3382-2：2008[S].2008.

[6]SCHROEDER M R.New method of measuring reverberat ion time[J].Acoust Soc Am，1965（37）：409-412.

[7]燕翔，李晉奎，徐學(xué)軍，等.脈沖反向積分法混響時(shí)間測量[C]∥綠色建筑與建筑物理——第九屆全國建筑物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（一）.南京，2004：410-413.

[8]張寧.AWA14423、AWA14425型電容傳聲器應(yīng)用靜電激勵(lì)器法測試自由場頻響的修正[J].聲學(xué)技術(shù)，2016，35（4）：512-514.

[9]吳碩賢，張三明，葛堅(jiān).建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000：52-54.

[10]萬宇鵬，謝榮基，桂桂.無線測試系統(tǒng)在多聲場下的驗(yàn)證與對比[J].聲學(xué)技術(shù)，2016，35（4）：422-425.

（編輯：劉楊）

Application and comparison of sound filed wireless test system based on DIRAC

WAN Yupeng，XIE Rongji，GUI Gui
（Institute of Acoustics,National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

The interior acoustic pulse reverse integration method can be used to measure the partial acoustic parameters quickly and comprehensively.But the traditional test is restrained by the wire connection of equipment in the system.In order to do the acoustic test more scientifically and efficiently forvarious specifications，this paperdid measurements of objective sound quality parameters such as EDT，T20，T30，C80，D50 in three cases of both wired mode and wireless modebyB&K 4942microphoneofDenmarkandSennheiserMKH800P48microphoneof Germany based on pulse reverse integration.The measurement results show that in the frequency range of 100 Hz to 8 000 Hz，the test data has good repeatability compared to traditional test method.This method can be used in the engineering test of some venues.By comparing the different test modes，this paper verifies the feasibility and reliability of wireless testing system in acoustic measurement.

acoustics；wireless test system；DIRAC；objective sound quality parameters

A

：1674-5124（2016）12-0077-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.016

2016-06-28；

：2016-08-03

萬宇鵬（1985-），男，四川成都市人，工程師，主要從事聲學(xué)檢測與建筑聲學(xué)相關(guān)工作。