基于消聲室檢測的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的研究

李 群

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

基于消聲室檢測的自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的研究

李 群

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

文中根據(jù)消聲室當(dāng)前的校準(zhǔn)現(xiàn)狀，依據(jù)《JJF 1147-2006 消聲室和半消聲室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，對消聲室的校準(zhǔn)裝置進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，研制了一套新的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，并給出該裝置的不確定度評(píng)定，提高了計(jì)量檢測人員的工作效率和測試準(zhǔn)確性，降低了人為因素對檢測結(jié)果的影響。

聲壓級(jí)；消聲室；計(jì)量校準(zhǔn)；聲學(xué)特性

1 概述

消聲室作為聲學(xué)計(jì)量的基礎(chǔ)環(huán)境條件，一直在聲學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，特別在空氣聲計(jì)量領(lǐng)域，大量聲學(xué)儀器的試驗(yàn)、噪聲測量以及聲學(xué)領(lǐng)域的其他研究等，為了屏蔽不必要的噪聲干擾都需要在消聲環(huán)境下進(jìn)行測量。所以，消聲室的最低截止頻率，以及自由場半徑等技術(shù)參數(shù)決定了消聲室是否滿足測試需求[1］。福建省計(jì)量院研制了新的裝置，能夠高效、自動(dòng)地測量最低截止頻率和自由場半徑等技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了人工智能化的改進(jìn)。

2 消聲室校準(zhǔn)的現(xiàn)狀

近些年，消聲室日益成為各省級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的必備建設(shè)項(xiàng)目，甚至，很多地市級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)也有自己的消聲室，面對著種類繁多、廠家各異的消聲室，對消聲室的校準(zhǔn)就顯得尤為重要。依據(jù)《JJF 1147-2006》消聲室和半消聲室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范的要求，[2］可以使用點(diǎn)測或連續(xù)記錄測量，兩者各有其優(yōu)劣。點(diǎn)測比較耗時(shí)，且人為因素影響大，連續(xù)記錄測量則很難保證傳聲器移動(dòng)系統(tǒng)與記錄儀絕對的同步測量，而且在移動(dòng)過程中，滑輪產(chǎn)生的噪聲也會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。筆者認(rèn)為，點(diǎn)測法雖然較為耗時(shí)，但校準(zhǔn)結(jié)果的可信度更高，因此對點(diǎn)測法的一些缺陷進(jìn)行深入的研究。

（1）測量點(diǎn)數(shù)多，校準(zhǔn)耗時(shí)長。

以一個(gè)長×寬×高=7.2m×7.2m×2.8m的半消聲室為例，使用點(diǎn)測法測試三條線，分別為（OA、OB、OC），所有測量位置上各頻率點(diǎn)的測點(diǎn)點(diǎn)數(shù)如表1所示：

表1 半消聲室（7.2m×7.2m×2.8m）的測量點(diǎn)數(shù)

由表可知，該半消聲室的自由聲場的頻率范圍和空間范圍的校準(zhǔn)點(diǎn)有2125個(gè)，在每條測試路徑用尺子人為步進(jìn)移動(dòng)傳聲器0.1m，固定后讀取pulse上的聲壓級(jí)示值，再在記錄紙上作原始記錄，校準(zhǔn)時(shí)間極長，以該半消聲室來說，校準(zhǔn)要耗時(shí)2～3天。

（2）手工步進(jìn)移動(dòng)精度較低，引入誤差較大。

依據(jù)現(xiàn)有手動(dòng)校準(zhǔn)裝置，在每條測試路徑用卡尺人為步進(jìn)移動(dòng)傳聲器0.1m（用肉眼讀尺子上刻度），精度較低，距離測量誤差最大估計(jì)為10mm，所引入的最大誤差為±0.07dB，按均勻分布考慮，取，故其引入的不確定度為：。

（3）數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。

自由場精度反平方律的計(jì)算。

在規(guī)定位置測得的聲壓級(jí)，在每個(gè)測量方向上用以下公式（1）計(jì)算反平方律聲壓級(jí)，

式中：L——距離r處的反平方律聲壓級(jí)，dB；

r——測量距離，m。

參數(shù)a由下式計(jì)算給出[3］：

Lpi——第i個(gè)測量點(diǎn)的聲壓級(jí)，dB；

ri——聲源假定聲中心到測量點(diǎn)的距離；

N——沿每個(gè)傳聲器路徑的測量點(diǎn)數(shù)目。

r0為聲源實(shí)際中心與假定聲中心之間的距離。r0由下式（3）給出：

由上述公式可知，自由場的反平方律計(jì)算比較復(fù)雜，且數(shù)據(jù)需要在測試完整條路徑后才能得出，如測試期間有出現(xiàn)偏離數(shù)據(jù)或離散數(shù)據(jù)，將對整條路徑的測量有很大的影響。

3 消聲室自動(dòng)校準(zhǔn)裝置各組成部分功能及設(shè)計(jì)要求

3.1 傳動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)

如圖（1）所示，將夾有傳聲器的滑動(dòng)輪小車安裝在測試路徑的鋼絲繩上，鋼絲繩一端固定于帶吊環(huán)的吸盤，另一端固定于消聲材料的滑輪上，小車用牽引繩牽引著，應(yīng)保證滑動(dòng)小車在鋼絲繩上行進(jìn)應(yīng)平穩(wěn)，順滑，計(jì)算機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制傳聲器沿著測試路徑的移動(dòng)，以保證在規(guī)定線路上停下測量，其中滑輪上安裝的夾具有10～15mm的水平調(diào)整空間，以便不同尺寸傳聲器的安裝。

圖1 消聲室自動(dòng)校準(zhǔn)裝置傳動(dòng)部分示意圖

PC機(jī)通過以太網(wǎng)向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出控制指令并獲取其信息，通過動(dòng)態(tài)鏈接庫可以實(shí)現(xiàn)對自己的單軸電機(jī)走動(dòng)進(jìn)行精確、高速、協(xié)調(diào)的控制。

運(yùn)動(dòng)控制可以描述為以下幾個(gè)步驟：

（1）PC應(yīng)用程序，通過參數(shù)配置，人機(jī)操作接口傳遞給設(shè)備的控制軟件；

（2）設(shè)備的控制軟件將操作信息轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)參數(shù)并根據(jù)這些參數(shù)調(diào)用DLL庫；

（3）運(yùn)動(dòng)函數(shù)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出控制指令給控制器；

（4）運(yùn)動(dòng)控制器再根據(jù)控制指令發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（如脈沖、方向信號(hào)）給驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)、讀取編碼器數(shù)據(jù)、讀寫通用輸入輸出口。

圖2 消聲室和半消聲室自動(dòng)校準(zhǔn)裝置硬件控制部分

3.2消聲室和半消聲室自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對傳聲器的速度和步進(jìn)位移的控制。且在運(yùn)行的過程中，實(shí)時(shí)讀取pulse（3560B）聲分析系統(tǒng)的聲壓級(jí)示值，并做數(shù)據(jù)處理?？刂葡到y(tǒng)方案見下圖3。

圖3 消聲室和半消聲室自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的控制系統(tǒng)方案

在上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PC機(jī)作為上位機(jī)，通過對上位機(jī)的控制完成傳聲器的步進(jìn)移動(dòng)、聲壓級(jí)示值讀取、數(shù)據(jù)處理等，故該P(yáng)C機(jī)應(yīng)置放于消聲室和半消聲室門外，可避免人為操作、說話、行動(dòng)等發(fā)出的噪聲對校準(zhǔn)結(jié)果（聲壓級(jí)示值）的影響。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由“PC+運(yùn)動(dòng)控制器+交流伺服驅(qū)動(dòng)器+交流伺服電機(jī)+傳聲器”組成，而PC置放于室外，傳聲器在室內(nèi)，交流伺服控制器+交流伺服電機(jī)間的CN1控制信號(hào)線電纜不超過3米，反饋信號(hào)CN2電纜長度不超過20米，故運(yùn)動(dòng)控制器+交流伺服驅(qū)動(dòng)器+交流伺服電機(jī)也必須置放于室內(nèi)，運(yùn)動(dòng)控制器須選用以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)型運(yùn)動(dòng)控制器，一方面能滿足VC軟件系統(tǒng)的開發(fā)需求[4］，另一方面以太網(wǎng)接口的網(wǎng)線能滿足室外的PC與室內(nèi)的交流伺服系統(tǒng)的長距離連接需求。

聲壓讀取系統(tǒng)由“PC+Pulse聲分析系統(tǒng)+傳聲器”組成，該聲分析系統(tǒng)也須選用網(wǎng)絡(luò)型接口的，用于支持長距離連接。

3.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

PULSE系統(tǒng)的平臺(tái)包括軟件、硬件兩個(gè)部分。測量平臺(tái)可搭建為圖4所示。硬件部分為3560B型數(shù)據(jù)采集前端，前端中的模塊可以按照用戶的測量和分析任務(wù)來選擇，其中必須包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口模塊，如7533、7536或者7537、7539型模塊[5］。軟件部分為7700型平臺(tái)軟件及其應(yīng)用軟件（7700型還可以細(xì)分為7770型FFT分析和7771型CPB分析）。

圖4 PULSE讀取系統(tǒng)

該裝置通過VC++,自動(dòng)調(diào)取pulse的測試數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，自動(dòng)得出每個(gè)頻率點(diǎn)、每個(gè)點(diǎn)位的聲壓級(jí)以及偏差。如圖5所示。

圖5 聲壓級(jí)以及偏差自動(dòng)測量軟件

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)開發(fā)出的全消聲室和半消聲自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制傳聲器的步進(jìn)移動(dòng)，自動(dòng)讀取pulse聲壓級(jí)示值并作數(shù)據(jù)處理，打印出完整的校準(zhǔn)結(jié)果記錄。將原先需要2～3天的工作量減少到0.5天，很大程度上提高了計(jì)量檢定人員的工作效率，降低了人為因素的影響，提高了消聲室檢測的準(zhǔn)確性。

[1］《計(jì)量測試技術(shù)手冊》編輯委員會(huì). 第9卷 聲學(xué)計(jì)量測試技術(shù)手冊[M］. 中國計(jì)量出版社. 1995.

[2]GB 50800-2012 消聲室和半消聲室技術(shù)規(guī)范 [s］.

[3]JJF 1147-2006 消聲室和半消聲室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范[s］. 2006.8.

[4］孫洪鵬. 消聲室在聲學(xué)計(jì)量方面的研究[J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2015（8）.

[5］朱德銘,鄺永輝,艾曉曉.PULSE電聲測量系統(tǒng)在傳聲器指向性測量中的應(yīng)用 [J］. 電聲技術(shù),2015（8）.Research on Automatic Calibration Device Based on Anechoic Room Testing

LI Qun
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

This paper based on the current anechoic room calibration status, according to the requirement of JJF 1147-2006 ‘calibration specifi cation on acoustic characteristic of Anechoic room and semi-anechoic room’, makes a research and design on the calibration device of anechoic room. The paper has beendeveloped a new automatic calibration system, and provided the uncertainty evaluation of the system, to improve the effi ciency of test personnel and test accuracy, and reduce the infl uence of human factors on test results.

Sound pressure level; Anechoic room; Metrology calibration; Acoustic characteristic

2016-03-18

李 群，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，力學(xué)室副主任，工程師，碩士