摘要：聲波是信息與能量的重要載體，聲波測量在結(jié)構(gòu)探測、地震監(jiān)測、材料特性研究等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，隨著新型聲學(xué)器件的推廣，搭建可測量其性能的新型聲學(xué)測試平臺(tái)是聲學(xué)器件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文介紹了一種基于Matlab開發(fā)的通風(fēng)聲學(xué)器件性能測試平臺(tái)，可控制電機(jī)攜帶麥克風(fēng)掃場，應(yīng)用軟件對(duì)聲波進(jìn)行濾波降噪、空間定位、角度計(jì)算等處理，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)聲學(xué)器件性能的高精度可控測量。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)平臺(tái)；性能測試；聲強(qiáng)；角度計(jì)算

Abstract：Soundwavesareanimportantcarrierofinformationandenergy.Acousticmeasurementiswidelyusedinfieldssuchasstructuraldetection，seismicmonitoring，andmaterialpropertiesresearch.Withthepromotionofnewacousticdevices，buildinganewacoustictestingplatformthatcanmeasuretheirperformanceisanimportantpartofacousticdevicedesign.ThisarticleintroducedaperformancetestingplatformforventilationacousticdevicesdevelopedbasedonMatlab.Itcouldcontrolthemotorcarryingthemicrophonetosweepthefield，andrealizedthesoundwavenoisereduction，spatialpositioning，anglecalculationandotherprocessingbysoftware，achievinghighprecisionandcontrollablemeasurementofventilationacousticdeviceperformance.

Keywords：Acousticplatform；Performancetesting；Soundintensity；Anglecalculation

1概述

作為現(xiàn)代科學(xué)的重要分支，聲學(xué)是研究聲波（彈性波）的產(chǎn)生、傳播與探測的一門科學(xué)，它不僅與航空航天、國防、醫(yī)療等領(lǐng)域密切相關(guān)，也與我們的生活密不可分。人工聲學(xué)超材料的出現(xiàn)極大地發(fā)展了聲學(xué)材料，一系列新穎的聲學(xué)功能和現(xiàn)象得以實(shí)現(xiàn)，如聲學(xué)負(fù)折射、聲隱身、聲學(xué)亞波長成像、聲學(xué)全息、聲學(xué)完美吸收等，這對(duì)聲學(xué)測試技術(shù)提出了更高的要求。聲波經(jīng)過聲學(xué)結(jié)構(gòu)或聲學(xué)材料的反射與透射性能的測試是驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與材料功能的重要手段，在聲學(xué)研究中占有重要地位。然而，由于聲波在空間中易消散的物理特性，準(zhǔn)確測量聲波通過器件后的聲強(qiáng)、角度和相位等信息成為一大難題。

本文介紹了一種基于Matlab的電動(dòng)掃場聲學(xué)器件性能測量裝置，可以實(shí)現(xiàn)大角度范圍內(nèi)快速測量聲波通過器件后的聲強(qiáng)和相位分布，實(shí)驗(yàn)測量裝置適用于大多數(shù)陣列型聲學(xué)器件，對(duì)于多種不同類型的聲學(xué)器件具有測量普適性。

2實(shí)驗(yàn)裝置

硬件裝置設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包含上位機(jī)、采集控制模塊、電動(dòng)掃場模塊、聲源和聲波檢測處理模塊。上位機(jī)為電腦，電動(dòng)掃場模塊由驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、滑動(dòng)平臺(tái)組成，聲源和聲波檢測處理模塊包含信號(hào)發(fā)生器、喇叭陣列和聲波探頭等。

上位機(jī)通過通信接口發(fā)送指令，指令內(nèi)容包括掃描速度、掃描坐標(biāo)、掃描點(diǎn)數(shù)等參數(shù)，Matlab程序控制單元執(zhí)行指令解析、電機(jī)控制和聲波激發(fā)等任務(wù)，滑動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)裝有霍爾傳感器用于限定平臺(tái)的最大掃場范圍和定位平臺(tái)坐標(biāo)原點(diǎn)，電機(jī)控制單元接收程序指令控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。掃場平臺(tái)控制軟件整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

為了克服聲波在三維空間中傳播方向不確定、自由空間中消散快的問題，測試裝置使用兩塊厚底大于5mm的透明亞克力板覆蓋裝置的上下兩面，形成狹小的空間，抑制聲波在空間中的傳播范圍，從而解決聲波在三維空間消散速度快的問題，實(shí)物裝置如圖3所示。

3聲場特性測試

聲場測試中，常用的聲源有點(diǎn)聲源和平面波聲源兩種，點(diǎn)聲源設(shè)計(jì)只需要采用單喇叭即可，但平面聲波設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。本文采用喇叭陣列形成面聲源，多個(gè)喇叭在同一高度排列，達(dá)到一定長度，從而每個(gè)喇叭發(fā)出的聲強(qiáng)在空間卷積形成高斯波束，使大部分聲波能量聚集在一定范圍內(nèi)。由于形成了高斯波束，入射聲波的入射角就可以確定，可以實(shí)現(xiàn)控制聲波傳播方向的目的。在聲波出射的方向，只要尋找到聲強(qiáng)最大的位置，即高斯波束的位置，便可以知道通過聲學(xué)器件之后聲波角度信息。

3.1角度計(jì)算原理

由于入射聲波為高斯波束，能量集中，且裝置設(shè)定使入射波束的中心點(diǎn)恰好入射至測量器件的幾何中點(diǎn)。假設(shè)電機(jī)帶動(dòng)滑臺(tái)掃場一次所需要的時(shí)間為T，電動(dòng)機(jī)受限于出場轉(zhuǎn)速設(shè)定，帶動(dòng)麥克風(fēng)以速度v勻速運(yùn)動(dòng)，麥克風(fēng)與器件之間的距離xd恒定，電機(jī)掃場距離d恒定。正是因?yàn)楦咚共ㄊ肷?，出射聲波也?yīng)為高斯波束。

設(shè)計(jì)Matlab程序?qū)ふ叶虝r(shí)能量最大的點(diǎn)，以最大點(diǎn)為起點(diǎn)，前后搜索短時(shí)能量偏離平均值的點(diǎn)，當(dāng)差值大于一定閾值時(shí)，則檢測出前后端點(diǎn)，停止尋找。假設(shè)所識(shí)別出的高斯波束開始與結(jié)束的時(shí)間分別為t1和t2，可以推導(dǎo)得到高斯波束的中央位置時(shí)間為：

t=t1+t22（1）

滑臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T/2時(shí)恰好運(yùn)動(dòng)到器件的幾何中點(diǎn)處，高斯波束中心位置距離聲學(xué)器件幾何中心的距離xs即為：

xs=v·T-（t1+t2）2（2）

假設(shè)入射波的入射角為α，通過聲學(xué)器件后對(duì)應(yīng)的出射角為θ。

根據(jù)xs、xd、θ之間的幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)得到：

tanθ=xsxd=v［T-（t1+t2）］2xd（3）

于是，就可以得到出射角：

θ=tanθ-1v［T-（t1+t2）］2xd（4）

設(shè)程序根據(jù)理論計(jì)算出的相應(yīng)的折射角為β，百分不確定度S就等于

S=β-θβ×100%（5）

根據(jù)以上運(yùn)算思路，程序便可輸出對(duì)應(yīng)入射角的出射角θ，理論值β、百分不確定度S。

3.2Matlab聲音信號(hào)處理

電機(jī)滑臺(tái)帶動(dòng)麥克風(fēng)沿一定方向運(yùn)行，從一端移動(dòng)到另一端即完成一次掃場工作，與此同時(shí)，麥克風(fēng)采集聲音可實(shí)現(xiàn)一次掃場的音頻錄制，記錄下掃場各點(diǎn)的聲強(qiáng)。

麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)包含大量影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的噪聲，需要進(jìn)行降噪處理，這里應(yīng)用Matlab對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行加窗、分幀、濾波等方法進(jìn)行處理。首先，畫出橫軸為采樣點(diǎn)、縱軸為幅度的時(shí)域圖，對(duì)其進(jìn)行FFT變換，得到頻域分布圖像，如圖6所示，頻域圖可以看出有兩個(gè)峰值，一個(gè)是聲源4000Hz的信號(hào)，另一個(gè)則表面在低頻500Hz附近有較大噪聲。

對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行FIRBartlet高通濾波，去除低頻噪聲，濾波后信號(hào)如圖7所示。濾波后聲信號(hào)明顯去除了毛刺，并且500Hz附近的噪聲被濾除。

進(jìn)一步把采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)化為時(shí)間，將幅度轉(zhuǎn)化為聲的能量分布，并且將聲信號(hào)的峰找出來，標(biāo)出起始點(diǎn)和終點(diǎn)位置（如圖8所示），可以得到峰的起始時(shí)刻為t1，峰的終點(diǎn)時(shí)刻為t2。

根據(jù)起始點(diǎn)和終點(diǎn)，以及麥克風(fēng)至復(fù)雜結(jié)構(gòu)的距離，可以推導(dǎo)出衍射角的大小，并將入射和透射聲方向的示意圖用Matlab畫出，如圖9所示，中間豎線為所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，左側(cè)為入射波，右側(cè)為透射波。

結(jié)語

本文介紹了一種基于Matlab的聲學(xué)器件性能測試平臺(tái)，應(yīng)用電動(dòng)掃場攜帶麥克風(fēng)的方式采集空間中的聲信號(hào)，經(jīng)過Matlab濾波降噪、空間定位和角度計(jì)算等處理，可以大角度范圍內(nèi)完成聲波通過器件后的聲強(qiáng)和相位分布的快速測量。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境要求，可視化地顯示入射與透射角度等，測試平臺(tái)靈活可調(diào)，適用性強(qiáng)。

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基金項(xiàng)目：本文系蘇州大學(xué)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科研基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KY2023052A）及蘇州大學(xué)高等教育教改研究課題“電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的改革與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：202338）研究成果

作者簡介：韓振宇（2003—），男，漢族，浙江杭州人，本科，研究方向：物理學(xué)。

*通訊作者：劉波（1994—），男，漢族，山東濟(jì)南人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。