無指向性聲源指向性指數(shù)自動校準方法

楊易寧 鄧崢 安兆亮 陳文王 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

無指向性聲源是指能向各個方向發(fā)出相同幅值聲波的一類聲源，主要用于隔聲量、廳堂音質(zhì)、混響時間、吸聲系數(shù)等聲學特性的測量。國內(nèi)進行無指向性聲源校準依據(jù)的是JJF 1468—2014《無指向性聲源校準規(guī)范》[1]，該文本對用于校準無指向性聲源的校準設(shè)備、校準流程進行了規(guī)范，但是對具體的細節(jié)部分沒作特別的規(guī)定，這使得具體操作時存在一定的困難[2-6]。

無指向性聲源校準的核心問題在于解決指向性指數(shù)的校準問題，對此，Ibarra D 等學者[7]將聲源通過三腳架安裝在轉(zhuǎn)臺上對指向性進行測試，但是其研究的準確度要求不高，因此，沒有考慮中心對準問題，最終得到的測量結(jié)果準確度也比較低。姜波等學者[8]在測量揚聲器指向性時通過CLIO10 和EASERA 軟件完成了對轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動和數(shù)據(jù)采集的一體化控制，同樣沒有考慮中心對準問題，同時揚聲器與無指向性聲源在聲學特性上也有較大區(qū)別。本文設(shè)計了一種無指向性聲源自動校準的解決方案，采用激光定位的方式解決了中心對準問題，提高了指向性指數(shù)的校準準確度，且提升了校準的效率。

1 指向性的校準方法

如圖1 所示，根據(jù)校準規(guī)范的要求，在消聲室內(nèi)，將無指向性聲源固定在轉(zhuǎn)臺上，由粉紅噪聲激勵聲源，在距離聲源的聲中心1.5 m 處位置使用傳聲器測量頻帶聲壓級，每測量一組數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動5°，從而在整個測量平面的360°范圍內(nèi)采集得到72 組不同角度下的聲壓級數(shù)據(jù)。將所有測點聲壓級的能量平均值減去每個30°弧形區(qū)域內(nèi)的7 個點聲壓級的能量平均值，即可得到該區(qū)域的指向性指數(shù)。

圖1 無指向性聲源指向性校準方法

以60°位置為例，聲源在60°位置的指向性指數(shù)為

θ——測點位置，θ=0°，5°，10°，…，355°；

Lθ——在角度為θ處測得的聲壓級，dB；

τ——測點位置，τ=45°，50°，55°，60°，65°，70°，75°

指向性指數(shù)的大小反映了聲源的指向性，對于無指向性聲源，指向性指數(shù)越小說明聲源的性能越好。表1 列出了1/3 倍頻程下指向性指數(shù)的最大允許誤差。

表1 1/3 倍頻程下指向性指數(shù)的最大允許誤差[1]

2 指向性指數(shù)自動校準的實現(xiàn)

2.1 中心對準

聲源指向性校準實驗過程中，要盡可能避免測量本身引入的誤差，其中聲中心偏離引入的誤差影響尤為顯著。聲中心的偏離主要由兩個因素引起，其一是無指向性聲源的旋轉(zhuǎn)中心與聲中心存在同軸度偏差，隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化，聲中心會發(fā)生偏移；其二是傳聲器沒有對準聲源的聲中心，傳統(tǒng)的人工定位方法通過三維測距進行定位，可以保證傳聲器的頭部定位在準確的位置，但是由于傳聲器的頭部是一個平面，其本身也存在指向性，信號是否垂直入射到平面上會使得測得的聲壓級值有明顯差異，故傳聲器的對準定位誤差會使測得的聲壓級值產(chǎn)生測量誤差。

為了保證旋轉(zhuǎn)中心與聲中心重合，關(guān)鍵在于聲源的固定裝置。如圖2 所示，將固定架的底盤與轉(zhuǎn)臺用螺栓完全固定連接在一起，底盤再帶動上方的連桿和聲源旋轉(zhuǎn)。比起傳統(tǒng)使用三腳架固定聲源的方式，這樣既可以從固定裝置入手解決聲源旋轉(zhuǎn)中心同軸問題，也在承重安全方面提供了保障。

圖2 無指向性聲源固定裝置

針對傳聲器的對準問題，采用激光定位設(shè)備來進行傳聲器的定位，在固定裝置的底盤上設(shè)計了一個激光器固定裝置，如圖3 所示。該固定裝置可以在豎直平面自由旋轉(zhuǎn)，使安裝在固定裝置上的激光器可以將激光射向豎直平面內(nèi)的每個位置。選用的“一字線”激光器可以投射出一條直線，因此，當激光器向下時，發(fā)出的激光可以與底盤上的半徑分度線進行對齊；當激光器向上時，發(fā)出的激光可以投影到傳聲器上，當激光在傳聲器上的投影也呈一條直線時，就說明傳聲器與聲源在同一豎直平面內(nèi)。對于水平平面，在消聲室的遠處布置一個水平激光儀，當水平激光儀的激光同時投影到傳聲器和聲源的中心線上時，就能確保傳聲器與聲源在同一水平平面內(nèi)。如圖4 所示，傳聲器與聲源既處于同一豎直平面又處于同一水平平面，因此，它們處于同一直線上，通過這種激光對準方法解決了傳聲器對準聲源聲中心的同軸問題。圖5 為實際測試的場況。

圖3 聲源固定裝置與激光器

圖5 激光定位實測圖

2.2 自動控制

測量指向性指數(shù)需要每隔5°進行一次測量。由于測量的點位很多，如果轉(zhuǎn)臺與測試進程均手動控制，不僅會耗費大量的時間，而且存在人為操作引入誤差的可能性，因此，需要設(shè)計一套自動控制的程序來控制整個校準過程。

控制程序使用MATLAB 進行編寫，算法流程如圖6 所示，主要分為三個步驟：第一步是測量過程，計算機通過控制程序，向多通道聲分析儀發(fā)出指令，讓其提供的粉紅噪聲信號通過功率放大器激勵無指向性聲源，使聲源發(fā)聲，同時收集傳聲器采集到的聲壓級數(shù)據(jù)，并儲存在計算機中；第二步是轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動過程，當完成一次測量過程后，計算機給轉(zhuǎn)臺發(fā)出指令，讓它旋轉(zhuǎn)5°，并且讓轉(zhuǎn)臺返回一個當前角度的數(shù)值至計算機，供操作者隨時監(jiān)控；第三步則是一個狀態(tài)判斷過程，從0°起始位置開始，每次轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)完畢后，判斷是否已經(jīng)轉(zhuǎn)完一圈。如果沒轉(zhuǎn)完則回到第一步，如果轉(zhuǎn)完了則結(jié)束測量進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理與計算。自動控制程序的存在大幅提高了工作效率，也使得整個工作進程變得更加合理。

圖6 自動校準流程

3 測試結(jié)果分析

為了驗證激光定位的引入對指向性指數(shù)校準結(jié)果的影響，在上海市計量測試技術(shù)研究院的全消聲室對杭州某公司生產(chǎn)的AWA5510 型無指向性聲源進行校準。根據(jù)校準規(guī)范對測量指向性指數(shù)的要求，測試頻率為100 ～5 000 Hz。對同一臺無指向性聲源，分別采用激光定位和手動定位的方式對指向性指數(shù)進行重復(fù)性測試，各測試六次，然后對標準偏差進行分別計算，標準偏差結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以看出，經(jīng)過激光定位后，六次測量的標準偏差要明顯小于手動定位的結(jié)果，其標準偏差最大不超過0.3 dB，可以滿足無指向性聲源指向性指數(shù)校準的要求，而手動定位的結(jié)果其標準偏差最大超過了0.7 dB。標準偏差的對比結(jié)果表明，通過激光定位后的無指向性聲源指向性校準具有較好的復(fù)現(xiàn)性。

圖7 激光定位與手動定位標準偏差的對比

4 結(jié)語

本文介紹了一種自動校準無指向性聲源的指向性指數(shù)的解決方案，包括設(shè)計固定裝置、設(shè)計對準方法、編制控制程序這三個組成部分，該方法具有準確、便捷、快速、易復(fù)現(xiàn)等優(yōu)點。該方案的建立解決了無指向性聲源指向性校準問題，完善了無指向性聲源校準溯源體系，提升了指向性指數(shù)的校準準確度，為保障無指向性聲源指向性指數(shù)的量值統(tǒng)一提供技術(shù)支撐。