楊易寧 鄧崢 安兆亮 陳文王 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

無指向性聲源是指能向各個(gè)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(shí)間、吸聲系數(shù)等聲學(xué)特性的測(cè)量。國(guó)內(nèi)進(jìn)行無指向性聲源校準(zhǔn)依據(jù)的是JJF 1468—2014《無指向性聲源校準(zhǔn)規(guī)范》[1]，該文本對(duì)用于校準(zhǔn)無指向性聲源的校準(zhǔn)設(shè)備、校準(zhǔn)流程進(jìn)行了規(guī)范，但是對(duì)具體的細(xì)節(jié)部分沒作特別的規(guī)定，這使得具體操作時(shí)存在一定的困難[2-6]。

無指向性聲源校準(zhǔn)的核心問題在于解決指向性指數(shù)的校準(zhǔn)問題，對(duì)此，Ibarra D 等學(xué)者[7]將聲源通過三腳架安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上對(duì)指向性進(jìn)行測(cè)試，但是其研究的準(zhǔn)確度要求不高，因此，沒有考慮中心對(duì)準(zhǔn)問題，最終得到的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度也比較低。姜波等學(xué)者[8]在測(cè)量揚(yáng)聲器指向性時(shí)通過CLIO10 和EASERA 軟件完成了對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集的一體化控制，同樣沒有考慮中心對(duì)準(zhǔn)問題，同時(shí)揚(yáng)聲器與無指向性聲源在聲學(xué)特性上也有較大區(qū)別。本文設(shè)計(jì)了一種無指向性聲源自動(dòng)校準(zhǔn)的解決方案，采用激光定位的方式解決了中心對(duì)準(zhǔn)問題，提高了指向性指數(shù)的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，且提升了校準(zhǔn)的效率。

1 指向性的校準(zhǔn)方法

如圖1 所示，根據(jù)校準(zhǔn)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(tái)上，由粉紅噪聲激勵(lì)聲源，在距離聲源的聲中心1.5 m 處位置使用傳聲器測(cè)量頻帶聲壓級(jí)，每測(cè)量一組數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)5°，從而在整個(gè)測(cè)量平面的360°范圍內(nèi)采集得到72 組不同角度下的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)。將所有測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)的能量平均值減去每個(gè)30°弧形區(qū)域內(nèi)的7 個(gè)點(diǎn)聲壓級(jí)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(zhǔn)方法

以60°位置為例，聲源在60°位置的指向性指數(shù)為

θ——測(cè)點(diǎn)位置，θ=0°，5°，10°，…，355°；

Lθ——在角度為θ處測(cè)得的聲壓級(jí)，dB；

τ——測(cè)點(diǎn)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(duì)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(dòng)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

2.1 中心對(duì)準(zhǔn)

聲源指向性校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過程中，要盡可能避免測(cè)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(gè)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(huì)發(fā)生偏移；其二是傳聲器沒有對(duì)準(zhǔn)聲源的聲中心，傳統(tǒng)的人工定位方法通過三維測(cè)距進(jìn)行定位，可以保證傳聲器的頭部定位在準(zhǔn)確的位置，但是由于傳聲器的頭部是一個(gè)平面，其本身也存在指向性，信號(hào)是否垂直入射到平面上會(huì)使得測(cè)得的聲壓級(jí)值有明顯差異，故傳聲器的對(duì)準(zhǔn)定位誤差會(huì)使測(cè)得的聲壓級(jí)值產(chǎn)生測(cè)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(tái)用螺栓完全固定連接在一起，底盤再帶動(dòng)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(duì)傳聲器的對(duì)準(zhǔn)問題，采用激光定位設(shè)備來進(jìn)行傳聲器的定位，在固定裝置的底盤上設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)位置。選用的“一字線”激光器可以投射出一條直線，因此，當(dāng)激光器向下時(shí)，發(fā)出的激光可以與底盤上的半徑分度線進(jìn)行對(duì)齊；當(dāng)激光器向上時(shí)，發(fā)出的激光可以投影到傳聲器上，當(dāng)激光在傳聲器上的投影也呈一條直線時(shí)，就說明傳聲器與聲源在同一豎直平面內(nèi)。對(duì)于水平平面，在消聲室的遠(yuǎn)處布置一個(gè)水平激光儀，當(dāng)水平激光儀的激光同時(shí)投影到傳聲器和聲源的中心線上時(shí)，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(duì)準(zhǔn)方法解決了傳聲器對(duì)準(zhǔn)聲源聲中心的同軸問題。圖5 為實(shí)際測(cè)試的場(chǎng)況。

圖3 聲源固定裝置與激光器

圖5 激光定位實(shí)測(cè)圖

2.2 自動(dòng)控制

測(cè)量指向性指數(shù)需要每隔5°進(jìn)行一次測(cè)量。由于測(cè)量的點(diǎn)位很多，如果轉(zhuǎn)臺(tái)與測(cè)試進(jìn)程均手動(dòng)控制，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且存在人為操作引入誤差的可能性，因此，需要設(shè)計(jì)一套自動(dòng)控制的程序來控制整個(gè)校準(zhǔn)過程。

控制程序使用MATLAB 進(jìn)行編寫，算法流程如圖6 所示，主要分為三個(gè)步驟：第一步是測(cè)量過程，計(jì)算機(jī)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(hào)通過功率放大器激勵(lì)無指向性聲源，使聲源發(fā)聲，同時(shí)收集傳聲器采集到的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中；第二步是轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程，當(dāng)完成一次測(cè)量過程后，計(jì)算機(jī)給轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)出指令，讓它旋轉(zhuǎn)5°，并且讓轉(zhuǎn)臺(tái)返回一個(gè)當(dāng)前角度的數(shù)值至計(jì)算機(jī)，供操作者隨時(shí)監(jiān)控；第三步則是一個(gè)狀態(tài)判斷過程，從0°起始位置開始，每次轉(zhuǎn)臺(tái)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(cè)量進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理與計(jì)算。自動(dòng)控制程序的存在大幅提高了工作效率，也使得整個(gè)工作進(jìn)程變得更加合理。

圖6 自動(dòng)校準(zhǔn)流程

3 測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證激光定位的引入對(duì)指向性指數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果的影響，在上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院的全消聲室對(duì)杭州某公司生產(chǎn)的AWA5510 型無指向性聲源進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范對(duì)測(cè)量指向性指數(shù)的要求，測(cè)試頻率為100 ～5 000 Hz。對(duì)同一臺(tái)無指向性聲源，分別采用激光定位和手動(dòng)定位的方式對(duì)指向性指數(shù)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，各測(cè)試六次，然后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行分別計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差要明顯小于手動(dòng)定位的結(jié)果，其標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)的要求，而手動(dòng)定位的結(jié)果其標(biāo)準(zhǔn)偏差最大超過了0.7 dB。標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)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(zhǔn)具有較好的復(fù)現(xiàn)性。

圖7 激光定位與手動(dòng)定位標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)比

4 結(jié)語

本文介紹了一種自動(dòng)校準(zhǔn)無指向性聲源的指向性指數(shù)的解決方案，包括設(shè)計(jì)固定裝置、設(shè)計(jì)對(duì)準(zhǔn)方法、編制控制程序這三個(gè)組成部分，該方法具有準(zhǔn)確、便捷、快速、易復(fù)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。該方案的建立解決了無指向性聲源指向性校準(zhǔn)問題，完善了無指向性聲源校準(zhǔn)溯源體系，提升了指向性指數(shù)的校準(zhǔn)準(zhǔn)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。