CN103438989A - 半消声室声场自动计量检测方法及标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半消声室声场自动计量检测方法及标准装置。传统的手动声场计量测试方式，测量效率低下且测量的准确性差。本发明包括信号发生器、功率放大器、声源、标准传声器、传声器夹具、信号采集分析***、牵引鱼线、固定钢线、滑轮、牵引线转轮、伸缩杆、工字件、吸盘以及主机箱。信号发生器经功率放大器后由声源发出声信号，声信号由标准传声器接收后进行处理分析，其中标准传声器是在设定的路径中自动行径。本发明使得半消声室的声场计量的数据更准确，更可信，更权威。

Description

半消声室声场自动计量检测方法及标准装置

技术领域

本发明涉及一种自动计量检测方法及标准装置，具体涉及一种半消声室的声场自动计量检测方法及标准装置。

背景技术

随着我国经济实力的增强，人们生活水平有了显著的提高，相应的对生活品质的要求也越来越高。人们对声学方面（如电声、建筑声、材料声学等）的要求也日益提高，如一些音响发烧友对音响声品质的要求，人们对家用电器噪声安静程度的要求，对歌剧院、电影院、音乐厅等建筑厅堂声乐效果的要求等等。以上需求会相应提出对电声产品的声品质进行研究评价以及对建筑厅堂进行声学性能评价等要求，这就会涉及到消声室（包括全消声室和半消声室）、混响室以及建筑厅堂内声场特性的研究。目前国内全消声室、半消声室、混响室和建筑厅堂的建造数量日益增多，以上实验室内声场的计量测试研究显得尤为必要和重要。

对于半消声室，衡量其声学精度的最重要技术指标之一是自由声场范围，其决定了消声室内实际可用声场空间范围的大小，如果在此范围之外进行声学计量测试，测量结果将会出现重大偏差，因此确定自由声场范围对实际消声室使用者将至关重要，此项技术指标对于消声室建造者也将是需着重考虑和研究的内容。另一方面，计量部门在利用消声室进行试验研究（如传声器自由场互易计量、电声计量、声功率测试、标准声源计量等）时，需要准确摸清消声室内的声场分布，并对消声室内受声散射影响较大的区域进行分析与研究并加以声学优化改进，以改善消声室内自由声场特性。

对于半消声室，自由声场范围及其声场分布的确定离不开声场分布的计量测试。目前传统的手动声场计量测试方式，不仅测量效率低下（测量耗时过长，耗时过长直接导致在同一路径测试中声源稳定性更差，进而影响测量准确度），而且由于手动移动传声器致使传声器移动路径不能在一条直线上，进而影响了测量的准确度，故传统手动声场测量已不能满足如今大型声学实验室的计量测试需求，因此非常有必要开展针对半消声室中声场自动计量测试中的关键问题的研究，并研制相应的标准装置，以达到对声学实验室内声场分布自动计量测试目的，为改善半消声室内自由声场特性提供非常必要的方法和硬件支持。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种半消声室声场自动计量检测方法及其标准装置。

半消声室声场自动计量检测方法是：将十二面体无指向性声源（50Hz～10kHz）或高频声源（10kHz～20kHz）置于半消声室地面几何中心位置，尽量靠近地面，通过软件控制信号发生器，信号经由功率放大器控制十二面体球形声源或高频声源发出白噪声或纯音信号；另一方面将伸缩杆置于半消声室地面紧靠尖劈端墙面的中间位置的天花板，将吸盘吸附于声源附近使吸盘、声源、伸缩杆处于同一条直线，声源在伸缩杆和吸盘之间，将钢线固定于伸缩杆顶端和吸盘上的工字件形成可以引导传声器行走的双导轨，伸缩杆高度可根据半消声室尺寸调整，测试传声器安装于钢线导轨上，使传声器行走路线能穿过声源中心，传声器行走路径为从声源表面位置到传声器所在一侧伸缩杆位置，可来回双向行走；通过软件控制步进电机旋转，当传声器上行时，电机上的牵引线滑轮绕紧牵引鱼线，鱼线控制测试传声器在钢线导轨上连续或间隔行走，当传声器下行时，电机上的牵引线滑轮放松牵引鱼线，传声器依靠支架和自身重力沿导轨下滑，鱼线控制传声器下连续下滑或间隔下滑，传声器上下行行走速度、间隔距离、延迟采样时间均可根据需要通过软件控制。测量前先对伸缩杆与吸盘之间距离内传声器行走进行调试，当传声器处于伸缩杆与吸盘之间时，通过软件中调试功能按钮控制，使传声器从中间位置向“0”号限位开关行走，当传声器达到“0”号限位开关位置并触发“0”号限位开关时，传声器开始反向行走，此时电机控制器进行脉冲计数，直到传声器达到“1”号限位开关位置并触发“1”号限位开关，传声器停止行走，此时电机控制器中记录行走“0”号限位开关与“1”号限位开关距离对应的脉冲数，进而得到单个脉冲对应的距离值，从而完成调试。通过控制软件选定传声器行走方式，以及声源信号类型即可开始测试，传声器走完预设路线距离便完成单次测试，更换信号类型或传声器行走方式可进行下一次测试。半消声室一条线测试完成后，可搬移伸缩杆位置和重新固定吸盘位置来测试另一条线路上的声学特性。

实现上述方法的标准装置包括：信号发生器、功率放大器、声源、标准传声器、传声器夹具、信号采集分析***、牵引鱼线、固定钢线、滑轮、牵引线转轮、伸缩杆、工字件、吸盘以及主机箱。所述的信号发生器用于产生白噪声或纯音信号；所述的功率放大器用于对信号发生器产生的信号进行功率放大；所述的声源是自动计量检测装置的一部分，对功率放大器输出的电信号转换成声波信号，包括低频声源及高频声源，低频声源是十二面体无指向性声源，高频声源由高频扬声器及声共振腔组成；所述的传声器用于测量声波信号；所述的传声器夹具用于固定传声器并与牵引线、固定钢线相连接；所述的牵引鱼线用于牵引传声器作直线运动；所述的固定钢线由两条钢线组成，用作装载有传声器的传声器夹具的直线双导轨，直线双导轨的主要功能在于保证传声器夹具在运动的过程中不会产品左右摇摆；所述的滑轮主要用于连接牵引线以减少传动的摩擦；所述的牵引线转轮由单个组成，用于带动牵引鱼线使装载有传声器的传声器夹具作直线运动；所述伸缩杆主要用于不同大小的消声室计量；所述吸盘与半消声室地面相连接，用以固定钢线；两条钢线通过所述的工字件固定在伸缩杆以及吸盘上，形成两个平行的直线导轨；所述的主机箱主要用于电路部分及电机部分的放置，内部包括：电源、步进电机、驱动器、控制器以及限位开关，限位开关分别接“0”以及“1”位，“0”控制电机反转，“1”控制电机停止，上述的伸缩杆固定在主机箱上。

所述的声共振腔一共有四种不同尺寸，主要与高频扬声器一起构成高频声源，可满足两个要求：一是近似点声源，即出声口尺寸大小为频率范围内最短声波波长的1/10，且指向性满足无指向性声源要求；二是声共振腔对相应频率点声波进行声压级放大，声级达到信噪比要求。

在10kHz-20kHz频段，经过声学波导理论推导，出声口的直径不大于6mm，且声共振腔的长度应选择：

L=(2n-1)*λ/4   n=1,2,3……(1)

即：声共振腔长度为各声波频率对应1/4波长的奇数倍。

本发明对应于10kHz，12.5kHz，16kHz，20kHz四个频点，构建长度分别为147.1mm，117.6mm，91.9mm，73.5mm的声共振腔。

本发明的有益效果在于：填补了国内半消声室声场自动计量检测的空白，使得半消声室的声场计量的数据更准确，更可信，更权威。

附图说明

图1半消声室声场自动计量检测装置硬件连接图；

图2半消声室声场自动计量检测方法流程图；

图3为半消声室声场自动计量检测装置示意图；

图4为传声器夹具示意图；

图5为半消声室牵引线转轮示意图；

图6为工字件示意图；

图7为主机箱内部构成示意图；

图8为声共振腔示意图。

具体实施方式

下面通过实例，并结合附图对本发明进行进一步的详细的描述。

如图1和图2所示,将十二面体无指向性声源（50Hz～10kHz）或高频声源（10kHz～20kHz）置于半消声室地面几何中心位置，尽量靠近地面，通过自编软件控制信号发生器，信号经由功率放大器控制十二面体球形声源或高频声源发出白噪声或纯音信号；另一方面将机箱及伸缩杆置于半消声室地面紧靠尖劈端墙面的中间位置的天花板，将吸盘吸附于声源附近使吸盘、声源、伸缩杆依次处于同一条直线，声源在伸缩杆和吸盘之间，将钢线固定于伸缩杆顶端和吸盘上的工字件形成可以引导传声器行走的双导轨，伸缩杆高度可根据半消声室尺寸调整，测试传声器安装于钢线导轨上，使传声器行走路线能穿过声源中心，传声器行走路径为从声源表面位置到传声器所在一侧伸缩杆位置，可来回双向行走；通过软件控制步进电机旋转，当传声器上行时，电机上的牵引线滑轮绕紧牵引鱼线，鱼线控制测试传声器在钢线导轨上连续或间隔行走，当传声器下行时，电机上的牵引线滑轮放松牵引鱼线，传声器依靠支架和自身重力沿导轨下滑，鱼线控制传声器下连续下滑或间隔下滑，传声器上下行行走速度、间隔距离、延迟采样时间均可根据需要通过软件控制。测量前先对伸缩杆与吸盘之间距离内传声器行走进行调试，当传声器处于伸缩杆与吸盘之间时，通过软件中调试功能按钮控制，使传声器从中间位置向“0”号限位开关行走，当传声器达到“0”号限位开关位置并触发“0”号限位开关时，传声器开始反向行走，此时电机控制器进行脉冲计数，直到传声器达到“1”号限位开关位置并触发“1”号限位开关，传声器停止行走，此时电机控制器中记录行走“0”号限位开关与“1”号限位开关距离对应的脉冲数，进而得到单个脉冲对应的距离值，从而完成调试。通过自编控制软件选定传声器行走方式，以及声源信号类型即可开始测试，传声器走完预设路线距离便完成单次测试，更换信号类型或传声器行走方式可进行下一次测试。半消声室一条线测试完成后，可搬移伸缩杆位置和重新固定吸盘位置来测试另一条线路上的声学特性。

如图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明中的标准装置包括：信号发生器、功率放大器、声源、标准传声器、传声器夹具、信号采集分析***、牵引鱼线、固定钢线、滑轮、牵引线转轮、伸缩杆、工字件、吸盘以及主机箱。所述的信号发生器用于产生白噪声或纯音信号；所述的功率放大器用于对信号发生器产生的信号进行功率放大；所述的声源是自动计量检测装置的一部分，对功率放大器输出的电信号转换成声波信号，包括低频声源及高频声源，低频声源是十二面体无指向性声源，高频声源由高频扬声器及四种类型的声共振腔组成；所述的传声器用于测量声波信号；所述的传声器夹具用于固定传声器并与牵引线、固定钢线相连接；所述的牵引鱼线用于牵引传声器作直线运动；所述的固定钢线由两条钢线组成，用作装载有传声器的传声器夹具的直线双导轨，直线双导轨的主要功能在于保证传声器夹具在运动的过程中不会产品左右摇摆；所述的滑轮主要用于连接牵引线以减少传动的摩擦；所述的牵引线转轮由单个组成，用于带动牵引鱼线使装载有传声器的传声器夹具作直线运动；所述伸缩杆主要用于不同大小的消声室计量；所述吸盘与半消声室地面相连接，用以固定钢线，通过所述的工字件固定在伸缩杆以及吸盘上，形成两个平行的直线导轨；所述的主机箱主要用于电路部分及电机部分的放置，内部包括：电源、步进电机、驱动器、控制器以及限位开关，限位开关分别接“0”以及“1”位，“0”控制电机反转，“1”控制电机停止，上述的伸缩杆固定在主机箱上。

如图8所示，声共振腔一共有四种不同尺寸，通过端口b与高频扬声器一起构成高频声源，可满足两个要求：一是近似点声源，即出声口尺寸大小为频率范围内最短声波波长的1/10，且指向性满足无指向性声源要求；二是声共振腔对相应频率点声波进行声压级放大，声级达到信噪比要求。

在10kHz-20kHz频段，经过声学波导理论推导，出声口的直径a不大于6mm，且声共振腔的长度c应选择：

c=(2n-1)*λ/4   n=1,2,3……(1)

即：声共振腔长度为各声波频率对应1/4波长的奇数倍。

对应于10kHz，12.5kHz，16kHz，20kHz四个频点，构建长度c分别为147.1mm，117.6mm，91.9mm，73.5mm的声共振腔。

实施例一

参照图3，半消声室声场自动计量检测装置由主机箱1、牵引线转轮2、伸缩杆3、牵引鱼线4、滑轮5、固定钢线6、传声器夹具7、声源8、吸盘9、传声器12、工字件13、信号采集分析***20、信号发生器21、功放22组成，其中牵引线转轮2由单个转轮构成，并通过电机固定在主机箱1上面；伸缩杆3固定在主机箱1上；两根固定钢线6通过工字件13分别与伸缩杆3以及吸盘9固定起来，并形成两条平行的斜向直线导轨；传声器夹具7用以固定传声器12，分别与固定钢线6以及牵引鱼线4连接。主机箱1，参照图7所示，其内部包括：电源14、步进电机15、驱动器16、控制器17以及限位开关18、19，限位开关18、19分别接“0”以及“1”位，“0”控制电机反转，“1”控制电机停止。

实际计量检测时，将声源8固定在半消声室中心位置，声源尽量靠近地面，伸缩杆高度可根据半消声室高度调整，传声器安装角度要求使传声器行走路径穿过声源中心，将固定有传声器的传声器固定装置通过电机带动牵引线进行自动运行检测。通过软件控制步进电机旋转，当传声器上行时，电机上的牵引线滑轮绕紧牵引鱼线，鱼线控制测试传声器在钢线导轨上连续或间隔行走，当传声器下行时，电机上的牵引线滑轮放松牵引鱼线，传声器依靠支架和自身重力沿导轨下滑，鱼线控制传声器下连续下滑或间隔下滑，传声器上下行行走速度、间隔距离、延迟采样时间均可根据需要通过软件控制。

测试前首先需要通过软件进行距离调试，如测得需要传声器行走的路线长度为1.95米，则在传声器路径两端终点处做下标记，点击测试软件中调试按钮，此时传声器在自身重力作用和鱼线控制下按照预设路径开始靠近声源，当传声器行走到声源端标记处时触发限位开关0，牵引线滑轮反向转动绕紧牵引鱼线传声器立即反向行走，直到传声器行走至尖劈端标记处时触发限位开关1，此时传声器停止运动，点击软件中读取位置按钮，显示目前传声器处于1.95米位置处（声源端标记处为0米），此时电机控制器中记录行走“0”号限位开关与“1”号限位开关距离对应的脉冲数，进而得到单个脉冲对应的距离值，从而完成调试。

调试完成后便可进行试验，通过软件使声源发出白噪声，选择传声器路线为远离尖劈，间隔测量，传声器行走速度1cm/s，各测点间隔5cm，测试延时30s，点击开始测量按钮（声源表面距离为0.23m），***便开始进行自动计量检测，软件实时显示传声器位置，当传声器行走了1.95米时点击停止测试按钮，测试完成。由于所用信号源为白噪声故每条线上只需测量一次，便可在测量结果中分析50Hz，63Hz,80Hz,100Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、5000Hz，6300Hz，8000Hz、10000Hz，12500Hz，16000Hz，20000Hz等频率下的消声室声学特性，测试数据如表1所示。

表1白噪声，间隔测量，测点间隔为5cm

表1续白噪声，间隔测量，测点间隔为5cm

如果使用纯音信号进行测试，则需要声源分别发出对应频率（50Hz，63Hz,80Hz,100Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、5000Hz，6300Hz，8000Hz、10000Hz，12500Hz，16000Hz，20000Hz）下的声源信号，每个频率进行一次测试，传声器来回均可测试，即传声器行走一个来回可以进行两个频点的测试（若要测试10kHz-20kHz频率，需要将十二面体声源换成高频声源），传声器连续行走方式测量声压级信号，行走速度5cm/s。一条线路测试完成以后，移动主机箱1、伸缩杆3以及吸盘9，换成需要的线路后重新开始调试测试，测试数据如表2所示。

表2纯音信号，连续测量，行走速度为5cm/s

表2续纯音信号，连续测量，行走速度为5cm/s

Claims (6)

1. 半消声室声场自动计量检测方法，其特征在于：将声源置于半消声室地面几何中心位置，尽量靠近地面，通过软件控制信号发生器，信号经由功率放大器控制声源发出声信号；另一方面将伸缩杆置于半消声室地面紧靠尖劈端墙面的中间位置的天花板，将吸盘吸附于声源附近使吸盘、声源、伸缩杆处于同一条直线，声源在伸缩杆和吸盘之间，将钢线固定于伸缩杆顶端和吸盘上的工字件形成可以引导标准传声器行走的双导轨，伸缩杆高度根据半消声室尺寸调整，标准传声器安装于钢线导轨上，使标准传声器行走路线能穿过声源中心，标准传声器行走路径为从声源表面位置到标准传声器所在一侧伸缩杆位置，可来回双向行走；通过软件控制步进电机旋转，当标准传声器上行时，电机上的牵引线滑轮绕紧牵引鱼线，鱼线控制标准传声器在钢线导轨上连续或间隔行走，当标准传声器下行时，电机上的牵引线滑轮放松牵引鱼线，标准传声器依靠支架和自身重力沿导轨下滑，鱼线控制标准传声器连续下滑或间隔下滑，标准传声器上下行行走速度、间隔距离、延迟采样时间均可根据需要通过软件控制；通过控制软件选定标准传声器行走方式，以及声源信号类型即可开始测试，标准传声器走完预设路线距离便完成单次测试，更换信号类型或标准传声器行走方式可进行下一次测试；半消声室一条线测试完成后，可搬移伸缩杆位置和重新固定吸盘位置来测试另一条线路上的声学特性。

2.根据权利要求1所述的半消声室声场自动计量检测方法，其特征在于：所述的声源为50Hz～10kHz十二面体无指向性低频声源或10kHz～20kHz高频声源，均可发出白噪声或纯音信号。

3.根据权利要求1所述的半消声室声场自动计量检测方法，其特征在于：测量前先对伸缩杆与吸盘之间距离内标准传声器行走进行调试，当标准传声器处于伸缩杆与吸盘之间时，通过软件中调试功能按钮控制，使标准传声器从中间位置向“0”号限位开关行走，当标准传声器达到“0”号限位开关位置并触发“0”号限位开关时，标准传声器开始反向行走，此时电机控制器进行脉冲计数，直到标准传声器达到“1”号限位开关位置并触发“1”号限位开关，标准传声器停止行走，此时电机控制器中记录行走“0”号限位开关与“1”号限位开关距离对应的脉冲数，进而得到单个脉冲对应的距离值，从而完成调试。

4.实现如权利要求1所述的半消声室声场自动计量检测方法的标准装置，其特征在于：包括信号发生器、功率放大器、声源、标准传声器、传声器夹具、信号采集分析***、牵引鱼线、固定钢线、滑轮、牵引线转轮、伸缩杆、工字件、吸盘以及主机箱；所述的信号发生器用于产生白噪声或纯音信号；所述的功率放大器用于对信号发生器产生的信号进行功率放大；所述的声源是自动计量检测装置的一部分，对功率放大器输出的电信号转换成声波信号，所述的标准传声器用于测量声波信号；所述的传声器夹具用于固定标准传声器并与牵引鱼线、固定钢线相连接；所述的牵引鱼线用于牵引标准传声器作直线运动；所述的固定钢线由两条钢线组成，用作装载有标准传声器的传声器夹具的直线双导轨，直线双导轨的保证传声器夹具在运动的过程中不会产品左右摇摆；所述的滑轮用于连接牵引鱼线以减少传动的摩擦；所述的牵引线转轮由单个组成，用于带动牵引鱼线使装载有标准传声器的传声器夹具作直线运动；所述伸缩杆用于不同大小的消声室计量；所述吸盘与半消声室地面相连接，用以固定钢线；两条固定钢线通过所述的工字件固定在伸缩杆以及吸盘之间，形成两个平行的斜向直线导轨；所述的主机箱用于电路部分及电机部分的放置，内部包括：电源、步进电机、驱动器、控制器以及限位开关，限位开关分别接“0”位和“1”位，“0” 位控制电机反转，“1”位控制电机停止，上述的伸缩杆垂直固定在主机箱上，所述的信号采集分析***与信号发生器、控制器信号连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的声源为50Hz～10kHz十二面体无指向性低频声源或10kHz～20kHz高频声源，均可发出白噪声或纯音信号。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的高频声源由高频扬声器和声共振腔组成，声共振腔出声口的直径不大于6mm，所述的声共振腔长度为147.1 mm，117.6mm，91.9 mm或73.5mm，分别对应于10kHz，12.5kHz，16kHz，20kHz四个频点。

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