CN102650545B - 一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法。通过两个扬声器发出声波，在两个驻波管内形成驻波声场，使两个耦合腔内声压级升高失真度降低形成高声压源。两支参考传声器作为监控，计算机控制双通道信号源，通过音频功率放大器驱动扬声器使耦合腔内的声压级与相位差达到设定值，实现模拟标准高声强环境。被校声强测量仪的两支传声器分别连接两个耦合腔，使其处于高声强环境，可实现声强测量仪的高声强校准。本发明由于采用高声压源技术，突破活塞发生器124dB声压级上限，可产生94dB～160dB声压级，信号失真度＜1％，使用频率范围：500Hz～800Hz。

Description

一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法

技术领域

本发明涉及声学计量技术领域，具体涉及一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法。

背景技术

声强可以在任何声场中测量，测量声强时稳态背景噪声对被测设备的声功率没有任何影响，用于现场研究复杂振动机械的辐射模式和声源定位。

声强测量仪1的工作原理如图1所示。两支传声器(2、9)保持固定距离d，正弦声波信号先后经过两支传声器，因此测量到的声压信号幅值相位均不相等，两传声器之间的声强即可由式1计算得到：

$I=\frac{P_1{P}_2\sin \mathrm{\φ}}{{\mathrm{\ω\ρ}}_{0}d}$ 式1

式中：P₁、P₂为正弦声压信号的有效值；

φ、ω分别为两个声压信号间的相位差和角频率；

ρ₀、d分别为空气密度和两个传声器间距。

现有的校准技术如图2所示，采用活塞发生器做为251Hz声源，在声强耦合腔内分为上下两个腔室，中间被耦合元件隔开，使上下两个腔室的声压级相为118dB，相位差为固定值13.2°，模拟标称间距为50mm的118dB声强级，可以用来校准声强测量仪。

使用这种校准方法的缺点是：

(1)声压信号频率固定不可更改，不能实现宽频范围校准；

(2)声强级动态范围有限，只能实现118dB的声强校准；

(3)上下两腔室声压级与相位差固定不可调，无法实现其他工况校准；

(4)失真度较大，达到1％以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法，其同步控制两路高声压源可输出宽频率范围、任意幅值比相位差、低失真度的声压信号，可模拟150dB声强级信号用于校准声强测量仪，从而克服了活塞发生器与声强耦合腔频率固定、动态范围有限、相位不可调、失真度大的缺点。

实现本发明目的的技术方案：一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置，其包括左右对称设置的“U”形的耦合腔A和耦合腔B；耦合腔A和耦合腔B的开口端分别固定连接在中心带有通孔的端盖A和端盖B一侧上，端盖A和端盖B的另一侧固定连接“U”形的驻波管A和驻波管B的开口端；

驻波管A和驻波管B的底部分别固定扬声器A和扬声器B；扬声器A和扬声器B的后部通过引出线均连接音频功率放大器；音频功率放大器连接双通道信号源，双通道信号源连接计算机；其中，计算机控制双通道信号源，通过音频功率放大器驱动扬声器A和扬声器B发出简正频率声波，然后分别通过驻波管A和驻波管B形成驻波声场，使耦合腔A和耦合腔B内的声压信号幅值与相位差值达到设定值，实现模拟标准高声强环境；

“U”形的耦合腔A的两侧壁对称开通口，分别安装待校准的声强测量仪的传声器A和参考传声器A；“U”形的耦合腔B的两侧壁对称开通口，分别安装待校准的声强测量仪的传声器B和参考传声器B；所述的参考传声器A和参考传声器B通过引出线均连接信号放大器，信号放大器连接计算机；其中，参考传声器A和参考传声器B作为监控，通过信号放大器分别把耦合腔A和耦合腔B内的声压信号转换为电信号传递到计算机。

如上所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置，其所述的耦合腔A和耦合腔B的内径与端盖A和端盖B的通孔内径相等，耦合腔A和耦合腔B的外径为端盖A和端盖B的外径1/2～1/3倍；所述的驻波管A和驻波管B的外径与端盖A和端盖B的外径相等，驻波管A和驻波管B的内径为端盖A和端盖B的通孔内径的2～3倍。

如上所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置，其所述的通过驻波管A和驻波管B形成驻波声场，使耦合腔A和耦合腔B内的声压信号幅值与相位差值达到设定值，实现模拟标准高声强环境；具体为：使耦合腔A和耦合腔B内的设定声压信号幅值为1Pa～2000Pa、设定相位差值为为0°～180°，产生94dB～160dB声压级，信号失真度＜1％。

本发明所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准方法，其包括如下步骤：

(a)计算机连接双通道信号源，输出两路频率为f的正弦信号，经过音频功率放大器分别驱动扬声器A和扬声器B发出声波，然后声波分别在驻波管A和驻波管B内反复反射形成驻波声场，在耦合腔A和耦合腔B内产生94～160dB高声压信号；

(b)参考传声器A和参考传声器B分别测量耦合腔A和耦合腔B内的声压信号幅值与相位差，通过信号放大器分别把耦合腔A和耦合腔B内的声压信号转换为电信号传递到计算机，计算得到耦合腔A和耦合腔B内的声压信号幅值P_A、P_B与相位差值θ；

(c)计算机根据步骤(b)所得的计算结果P_A、P_B、θ控制双通道信号源输出信号，使步骤(b)中的耦合腔A和耦合腔B内的声压信号幅值P_A、P_B达到设定声压信号幅值P₁、P₂、相位差值θ达到设定相位差值φ，实现模拟标准高声强环境，模拟的标准声强

式中：ω＝2πf为角频率，ρ₀为空气密度、d为传声器A和传声器B之间的距离；

(d)待校准的声强测量仪的两支传声器A和传声器B分别测量耦合腔A和耦合腔B，使声强测量仪处于模拟标准高声强环境，其声强测量结果为

其中，P₁、P₂、φ为声强测量仪测量耦合腔A和耦合腔B内的声压信号幅值P_A、P_B和相位差θ的测量结果，I′为声强测量仪的计算结果，I为模拟的标准声强，通过计算即可得到声强测量仪的测量误差ΔI，实现声强测量仪的高声强校准。

如上所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准方法，其在步骤(c)中设定频率f为500～800Hz，设定声压信号幅值P₁为1Pa～2000Pa，设定声压信号幅值P₂为1Pa～2000Pa，设定相位差值φ为0°～180°。

本发明的效果在于：本发明所述的高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法，扬声器发出简正频率声波，通过驻波管形成驻波声场，使两个耦合腔内声压级升高失真度降低形成高声压源；使用两个相同高声压源，两支参考传声器作为监控，计算机控制双通道信号源，通过音频功率放大器驱动扬声器使两个耦合腔内的声压级与相位差达到设定值，实现模拟标准高声强环境；被校声强测量仪的两支传声器分别连接两个耦合腔，使其处于高声强环境，可实现声强测量仪的高声强校准。本发明由于采用高声压源技术，突破活塞发生器124dB声压级上限，可产生94dB～160dB声压级，信号失真度＜1％，使用频率范围：500Hz～800Hz。

附图说明

图1为声强测量仪的工作原理图；

图2为活塞发生器与声强耦合腔校准器结构示意图；

图3为本发明所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置结构示意图。

图中：1.声强测量仪；2.传声器A；3.耦合腔A；4.驻波管A；5.扬声器A；6.音频功率放大器；7.双通道信号源；8.耦合腔B；9.传声器B；10.参考传声器B；11.参考传声器A；12.信号放大器；13.计算机；14.驻波管B；15.扬声器B；16.端盖A；17.端盖B。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置及方法作进一步描述。

实施例1

如图3所示，本发明所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置，包括左右对称设置的“U”形的耦合腔A3和耦合腔B8。

“U”形的耦合腔A3的开口端固定连接在中心带有通孔的端盖A16一侧上，端盖A16的另一侧固定连接“U”形的驻波管A4的开口端；驻波管A4的底部固定扬声器A5。所述的耦合腔A3的内径与端盖A16的通孔内径相等，耦合腔A3的外径为端盖A16的外径的1/2～1/3倍(例如：1/2倍或1/3倍)。所述的驻波管A4的外径与端盖A16的外径相等，驻波管A4的内径为端盖A16的通孔内径的2～3倍(例如：2倍或3倍)。

“U”形的耦合腔B8的开口端固定连接在中心带有通孔的端盖B17一侧上，端盖B17的另一侧固定连接“U”形的驻波管B14的开口端；驻波管B14的底部固定扬声器B15。所述的耦合腔B8的内径与端盖B17的通孔内径相等，耦合腔B8的外径为端盖B17的外径的1/2～1/3倍(例如：1/2倍或1/3倍)。所述的驻波管B14的外径与端盖B17的外径相等，驻波管B14的内径为端盖B17的通孔内径的2～3倍(例如：2倍或3倍)。

扬声器A5和扬声器B15的后部均通过引出线连接音频功率放大器6。音频功率放大器6连接双通道信号源7，双通道信号源7连接计算机13。其中，计算机13控制双通道信号源7，通过音频功率放大器6驱动扬声器A5和扬声器B15发出简正频率声波，然后分别通过驻波管A4和驻波管B14形成驻波声场，使耦合腔A3和耦合腔B8内的声压信号幅值与相位差值达到设定值，实现模拟标准高声强环境。具体为：使耦合腔A3和耦合腔B8内的设定声压信号幅值为1Pa～2000Pa(例如：1Pa、100Pa、1000Pa或2000Pa)、设定相位差值为为0°～180°(例如：0°50°、90°或180°)，产生94dB～160dB声压级(例如：94dB、140dB、150dB或160dB)，信号失真度＜1％。

“U”形的耦合腔A3的两侧壁对称开通口，一侧安装参考传声器A11，另一侧安装被校声强测量仪1的一支传声器A2。“U”形的耦合腔B8的两侧壁对称开通口，一侧安装参考传声器B10，另一侧安装被校声强测量仪1的一支传声器B9。参考传声器A11和参考传声器B10均通过引出线连接信号放大器12，信号放大器12连接计算机13。其中，参考传声器A11和参考传声器B10作为监控，通过信号放大器12分别把耦合腔A3和耦合腔B8内的声压信号转换为电信号传递到计算机13。

实施例2～4

如图3所示，采用实施例1所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置进行校准的方法，其包括下列步骤：

(a)计算机13连接双通道信号源7，输出两路频率为f的正弦信号，经过音频功率放大器6分别驱动扬声器A5和扬声器B15发出声波，然后声波分别在驻波管A4和驻波管B14内反复反射形成驻波声场，在耦合腔A3和耦合腔B8内产生94～160dB高声压信号；

(b)参考传声器A11和参考传声器B10分别测量耦合腔A3和耦合腔B8内的声压信号幅值与相位差，通过信号放大器12分别把耦合腔A3和耦合腔B8内的声压信号转换为电信号传递到计算机13，计算得到耦合腔A3和耦合腔B8内的声压信号幅值P_A、P_B与相位差值θ；

(c)计算机13根据步骤(b)所得的计算结果P_A、P_B、θ控制双通道信号源7输出信号，使步骤(b)中的耦合腔A3和耦合腔B8内的声压信号幅值P_A、P_B达到设定声压信号幅值P₁、P₂、相位差值θ达到设定相位差值φ，实现模拟标准高声强环境，模拟的标准声强

式中：ω＝2πf为角频率，ρ₀为空气密度、d为传声器A2和传声器B9之间的距离；

设定频率f为500～800Hz，设定声压信号幅值P₁为1Pa～2000Pa，设定声压信号幅值P₂为1Pa～2000Pa，设定相位差值φ为0°～180°。

(d)待校准的声强测量仪1的两支传声器A2和传声器B9分别测量耦合腔A3和耦合腔B8，使声强测量仪1处于模拟标准高声强环境，其声强测量结果为

其中，P₁、P₂、φ为声强测量仪1测量耦合腔A3和耦合腔B8内的声压信号幅值P_A、P_B和相位差θ的测量结果，I′为声强测量仪1的计算结果，I为模拟的标准声强，通过计算即可得到声强测量仪的测量误差ΔI，实现声强测量仪的高声强校准。

实施例2～4中具体的测量结果见下表1。

表1

本发明中扬声器发出简正频率声波，通过驻波管形成驻波声场，使两个耦合腔内声压级升高失真度降低形成高声压源；使用两个相同高声压源，两支参考传声器作为监控，计算机控制双通道信号源，通过音频功率放大器驱动扬声器使耦合腔内的声压级与相位差达到设定值，实现模拟标准高声强环境；被校声强测量仪的两支传声器分别连接两个耦合腔，使其处于高声强环境，可实现声强测量仪的高声强校准。本发明根据计算结果修正信号源驱动参数，使整套***形成闭环回路，达到控制声强测量仪的两路传声器感受到的声压信号幅值与相位差值的目的，可模拟94dB～160dB声强信号。

Claims (3)

1.一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置，其特征在于：该装置包括左右对称设置的“U”形的耦合腔A（3）和耦合腔B（8）；耦合腔A（3）和耦合腔B（8）的开口端分别固定连接在中心带有通孔的端盖A（16）和端盖B（17）一侧上，端盖A（16）和端盖B（17）的另一侧固定连接“U”形的驻波管A（4）和驻波管B（14）的开口端；

驻波管A（4）和驻波管B（14）的底部分别固定扬声器A（5）和扬声器B（15）；扬声器A（5）和扬声器B（15）的后部通过引出线均连接音频功率放大器（6）；音频功率放大器（6）连接双通道信号源（7），双通道信号源（7）连接计算机（13）；其中，计算机（13）控制双通道信号源（7），通过音频功率放大器（6）驱动扬声器A（5）和扬声器B（15）发出简正频率声波，然后分别通过驻波管A（4）和驻波管B（14）形成驻波声场，使耦合腔A（3）和耦合腔B（8）内的声压信号幅值与相位差值达到设定值，实现模拟标准高声强环境；

“U”形的耦合腔A（3）的两侧壁对称开通口，分别安装待校准的声强测量仪（1）的传声器A（2）和参考传声器A（11）；“U”形的耦合腔B（8）的两侧壁对称开通口，分别安装待校准的声强测量仪（1）的传声器B（9）和参考传声器B（10）；所述的参考传声器A（11）和参考传声器B（10）通过引出线均连接信号放大器（12），信号放大器（12）连接计算机（13）；其中，参考传声器A（11）和参考传声器B（10）作为监控，通过信号放大器（12）分别把耦合腔A（3）和耦合腔B（8）内的声压信号转换为电信号传递到计算机（13）。

2.根据权利要求1所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置，其特征在于：所述的耦合腔A（3）和耦合腔B（8）的内径与端盖A（16）和端盖B（17）的通孔内径相等，耦合腔A（3）和耦合腔B（8）的外径为端盖A（16）和端盖B（17）的外径1/2～1/3倍；

所述的驻波管A（4）和驻波管B（14）的外径与端盖A（16）和端盖B（17）的外径相等，驻波管A（4）和驻波管B（14）的内径为端盖A（16）和端盖B（17）的通孔内径的2～3倍。

3.根据权利要求1或2所述的一种高声压源结合相位控制的高声强级校准装置，其特征在于：所述的通过驻波管A（4）和驻波管B（14）形成驻波声场，使耦合腔A（3）和耦合腔B（8）内的声压信号幅值与相位差值达到设定值，实现模拟标准高声强环境；具体为：使耦合腔A（3）和耦合腔B（8）内的设定声压信号幅值为1Pa～2000Pa、设定相位差值为0°～180°，产生94dB～160dB声压级，信号失真度<1%。

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