一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统及其测量方法
阅读说明：本技术 一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统及其测量方法 (Six-microphone three-dimensional sound intensity method sound absorption coefficient measurement system and measurement method thereof ) 是由 王红卫 於秀 熊威 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统及其测量方法,该系统包括：PC机、声卡、功率放大器、正十二面体扬声器、吸声系数测量装置、六传声器三维声强探头、显示器、待测材料或构件、全反射板、不透声障板；PC机、功率放大器、正十二面体扬声器依次相连,构成发声模块,生成无指向性声波信号；吸声系数测量装置分别与六传声器三维声强探头、显示器连接,构成受声模块；发声模块和受声模块分别位于待测材料或构件的两侧,不透声障板设于发声模块和受声模块之间,遮挡正十二面体扬声器的直达声；全反射板与不透声障板垂直设置。本发明可根据材料实际安装的情况进行测量,既可在消声室中进行测量,也可在一般条件的场所进行测量。(The invention discloses a six-microphone three-dimensional sound intensity method sound absorption coefficient measuring system and a measuring method thereof, wherein the system comprises the following components: the device comprises a PC (personal computer), a sound card, a power amplifier, a regular dodecahedron loudspeaker, a sound absorption coefficient measuring device, a six-microphone three-dimensional sound intensity probe, a display, a material or component to be tested, a total reflection plate and an acoustic-proof baffle; the PC, the power amplifier and the regular dodecahedron loudspeaker are sequentially connected to form a sound production module to generate an omnidirectional sound wave signal; the sound absorption coefficient measuring device is respectively connected with the six-microphone three-dimensional sound intensity probe and the display to form a sound receiving module; the sound-proof baffle plate is arranged between the sound-producing module and the sound-receiving module and used for shielding direct sound of the regular dodecahedron loudspeaker; the total reflection plate is perpendicular to the sound-proof baffle. The invention can measure according to the actual installation condition of the material, not only in an anechoic chamber, but also in a place with general conditions.)
技术领域
本发明涉及吸声系数测量技术领域，具体涉及一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统及其测量方法。
背景技术
吸声系数是衡量材料的声学特性的重要参数，因此，准确测量材料在各频率的吸声系数，对于在建筑空间中，合理使用各种吸声材料或吸声结构有着重要影响。目前，测量吸声系数的实验室方法主要有阻抗管法和混响室法。这两种方法均需要在实验室中测量得到材料或结构的吸声系数，而在实际应用情况中，现场环境条件往往不能满足实验室的测量环境要求，并且，材料的尺寸大小与安装情况都与其吸声系数息息相关。因此，在实际应用情况中，需要一种能够在现场较为准确测量，反映材料或结构在实际应用安装时的吸声系数的测量方法。
传统的声强测量技术主要有P-P法和P-U法，其缺点是一次测量只能得到单一方向的声强，如需确定某点的声强矢量则至少需要测量3次。三维声强测量技术应运而生，发展至今，三维声强测量技术可实现一次测量得到三个方向的声强矢量。声强测量技术除了可应用于声功率测量、噪声源的识别与定位、声源的鉴别与排序以及隔声测量等多种领域外，还可应用于吸声系数测量领域，现有的吸声系数测量方法存在对材料要求高且不能测量材料在实际安装情况下的吸声系数等不足。
发明内容
为了克服现有吸声系数测量方法对材料要求高且不能测量材料在实际安装情况下的吸声系数等缺陷与不足，本发明提供一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统及其测量方法，本发明基于三维声强法，利用声强的矢量特性，通过分别测量六传声器三维声强探头处的入射声强与反射声强以及它们的矢量信息，计算得出声强反射系数，然后根据吸声系数与声强反射系数的关系求得材料的吸声系数，同时利用三维声强的矢量信息计算得到声源的入射角度等信息，可以在信号采集结束后立即得出材料在测量频率下的吸声系数以及声源入射角度，实现测量斜入射角度下材料的吸声系数，测量简便。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统，包括：PC机、声卡、功率放大器、正十二面体扬声器、吸声系数测量装置、六传声器三维声强探头、显示器、待测材料或构件、全反射板、不透声障板；
所述声卡设于PC机内，所述PC机、功率放大器、正十二面体扬声器依次相连，构成发声模块，所述发声模块用于生成无指向性声波信号；
所述吸声系数测量装置分别与六传声器三维声强探头、显示器连接，构成受声模块；
所述发声模块和受声模块分别位于待测材料或构件的两侧，所述不透声障板设于发声模块和受声模块之间，所述不透声障板用于遮挡来自正十二面体扬声器的直达声；
所述全反射板与不透声障板垂直设置。
作为优选的技术方案，所述六传声器三维声强探头的六个传声器探头的相对位置按照两两呈对置式的形式布置，在空间上构成一个正球体。
作为优选的技术方案，以所述正球体的几何中心为原点建立三维直角坐标系，六个传声器两两分别落在X、Y、Z三条坐标轴上，每个传声器到原点的距离相同，为六个传声器探头的外接球半径R，六个传声器的坐标分别为(R，0，0)、(-R，0，0)、(0，R，0)、(0，-R，0)、(0，0，R)、(0，0，-R)。
作为优选的技术方案，所述六传声器三维声强探头设置于反射声线上，以六传声器三维声强探头的几何中心位置为原点，以第一传声器、第二传声器为X轴，与待测材料或构件平行，以第三传声器、第四传声器为Y轴，与待测材料或构件垂直，以第五传声器、第六传声器为Z轴，与水平面垂直；
所述正十二面体扬声器中心与六传声器三维声强探头的几何中心处于同一水平面。
本发明还提供一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统的测量方法，包括下述步骤：
根据所需测量材料吸声系数的测量频率范围确定六传声器三维声强探头的外接球半径；
根据所需测量频率范围的最低频率确定不透声障板与待测材料或构件的距离；
设定测量入射角度，调节正十二面体扬声器与待测材料或构件的直线距离；
进行第一次测量，测量六传声器三维声强探头几何中心位置处的声强，正十二面体扬声器依次发出测量频率的噪声信号，六传声器三维声强探头接收六通道声压信号；
六传声器三维声强探头将接收到的声压信号传输至吸声系数测量装置，完成各通道信号的时域显示以及三维声强计算；
以第一传声器、第二传声器为X轴，与待测材料或构件平行，以第三传声器、第四传声器为Y轴，将第一传声器、第二传声器接收到的声压信号，第三传声器、第四传声器接收到的声压信号，以及第五传声器、第六传声器接收到的声压信号分别进行互谱计算，得到X、Y、Z轴方向的声强分量，分别表示为I1X(ω)、I1Y(ω)、I1Z(ω)，进而得到经待测材料或构件反射后的反射声强Ir；
在与待测材料或构件相同位置放置相同尺寸大小的不透声障板或全反射板，进行第二次测量，由正十二面体扬声器依次发出与第一次测量时相同频率的噪声信号，六传声器三维声强探头将接收到的声压信号传输至吸声系数测量装置，完成各通道信号的时域显示以及三维声强计算，得到X、Y、Z三方向的声强分量，分别表示为I2X(ω)、I2Y(ω)、I2Z(ω)，进而得到入射声强Ii；
基于测量得到的六传声器探头几何中心位置处的入射声强Ii与反射声强Ir，以及对应的矢量信息，计算得到声强反射系数，根据吸声系数与声强反射系数的关系求得材料的吸声系数。
作为优选的技术方案，还包括入射角度测量以及入射角度测量误差值计算步骤，具体为：
由第一次测量与第二次测量三维声强的X、Y轴分量之比的反正切求平均得到入射角度，表示为：
测量得到的声源与材料的垂直中心线之间的入射角度θ′，两者之间的差值取绝对值，得到入射角度测量误差值。
作为优选的技术方案，所述测量六传声器三维声强探头几何中心位置处的声强，具体步骤包括：
通过各传声器声压求平均近似估计，在时域P0(t)和在频域P0(f)分别为：
其中，Pi(t)表示各传声器的声压在时域的表达式，Pi(f)表示各传声器的声压在频域的表达式，下标i表示传声器的序号，i＝1-6；
计算六传声器三维声强探头几何中心位置处的质点振速在X、Y、Z轴方向的分量Ux、Uy、Uz与各传声器声压Pi为：
其中，j为虚数单位，f为频率，ρ为空气密度，R表示六传声器三维声强探头的外接球半径。
作为优选的技术方案，所述得到X、Y、Z轴方向的声强分量，分别表示为I1X(ω)、I1Y(ω)、I1Z(ω)，具体计算公式表示为：
其中，G12表示第一传声器、第二传声器声压的单边互功率谱函数，G34表示第三传声器、第四传声器声压的单边互功率谱函数，G56表示第五传声器、第六传声器声压的单边互功率谱函数，j为虚数单位，f为频率，ρ为空气密度，R表示六传声器三维声强探头的外接球半径，Im表示取虚部；
所述进而得到经待测材料或构件反射后的反射声强Ir，表示为：
作为优选的技术方案，所述得到X、Y、Z三方向的声强分量，分别表示为I2X(ω)、I2Y(ω)、I2Z(ω)，具体计算公式表示为：
其中，G12表示第一传声器、第二传声器声压的单边互功率谱函数，G34表示第三传声器、第四传声器声压的单边互功率谱函数，G56表示第五传声器、第六传声器声压的单边互功率谱函数，j为虚数单位，f为频率，ρ为空气密度，R表示六传声器三维声强探头的外接球半径，Im表示取虚部；
入射声强Ii表示为：
作为优选的技术方案，所述根据吸声系数与声强反射系数的关系求得材料的吸声系数，具体计算公式为：
α(θ)＝1-RI(θ)
其中，RI(θ)表示声强反射系数，α(θ)表示吸声系数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明采用六传声器三维声强测量技术，解决了吸声系数的实验室测量方法对所测材料尺寸大小等要求较高等技术问题，达到了可根据材料实际安装时的情况进行测量的技术效果，既可在消声室中进行测量，也可在一般条件的场所进行测量。
(2)本发明采用六传声器三维声强测量技术，解决了现有的法向吸声系数和无规入射的吸声系数只能测量特定角度下的吸声系数的技术问题，实现了在任意斜入射角度下的材料吸声系数的测量，应用更加广泛。
(3)本发明采用六传声器三维声强测量技术，在测量吸声系数的同时，利用三维声强的矢量信息测量出声源的入射角度，这有助于实际工程测量中确定主要噪声源方向，且可应用于某些声源到材料或结构的入射角度不易获取的实际情况。
附图说明
图1为本发明六传声器三维声强法吸声系数测量系统的结构示意图；
图2为本发明六传声器三维声强探头的结构示意图；
图3为本发明吸声系数测量结果示意图；
图4为本发明入射角度测量误差结果示意图。
其中，1-PC机，2-声卡，3-功率放大器，4-正十二面体扬声器，5-吸声系数测量装置，6-六传声器三维声强探头，7-显示器，8-待测材料或构件，9-全反射板，10-不透声障板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种六传声器三维声强法吸声系数测量系统，包括：PC机1、声卡2、功率放大器3、正十二面体扬声器4、吸声系数测量装置5、六传声器三维声强探头6、显示器7、待测材料或构件8、全反射板9、不透声障板10；
其中，声卡2插入PC机1，PC机1、功率放大器3、正十二面体扬声器4依次相连，组成发声模块，主要用于生成无指向性声波信号，为使声波更接近于平面波，同时又要确保不透声障板可以遮挡住扬声器的直达声，扬声器与待测材料的距离取值范围在3-5m之间，最佳距离为5m；
在本实施例中，PC机1用于生成单一频率噪声信号；声卡2为带有A/D转换的高频声卡；功率放大器3采用BSWA-PA300功放，其具有20Hz～20kHz的频率范围以及102dBA的动态范围；正十二面体扬声器4采用BSWA-OS003A无指向声源，符合ISO 140-3、ISO 140-4和ISO3382标准中对无指向性声源的要求。
在本实施例中，吸声系数测量装置5采用基于Labview的吸声系数测量平台，基于Labview的吸声系数测量平台与六传声器三维声强探头6相连，并且与显示器7连接，组成受声模块；
基于Labview的吸声系数测量平台包括PXI-Express机箱、PXI嵌入式控制器和数据采集卡，其中，PXI嵌入式控制器和数据采集卡通过插槽与PXI-Express机箱连接，PXI嵌入式控制器装有Labview吸声系数测量系统，该系统包括数据采集模块、六传声器三维声强测量模块、吸声系数测量模块以及系统误差修正模块。其中，数据采集模块用于采集六传声器各探头的声压数据，六传声器三维声强测量模块用于完成各通道信号的时域显示以及三维声强计算，吸声系数测量模块用于测量吸声系数，系统误差修正模块用于测量入射角度及误差值并修正。
发声模块与受声模块分别位于待测材料或构件8的两侧，中间垂直于待测材料或构件放置一不透声障板10，用于遮挡来自扬声器的直达声，不透声障板与待测材料或构件的距离根据测量最低频率确定。
如图2所示，六传声器三维声强探头由六个传声器组成，这六个传声器探头的相对位置按照两两呈对置式的形式布置，在空间上构成一个正球体，以正球体几何中心为原点建立三维直角坐标系，六个传声器两两分别落在X、Y、Z三条坐标轴上，每个传声器到原点的距离相同，为六传声器探头的外接球半径R，如下表1所示，1-6号传声器的坐标分别为(R，0，0)、(-R，0，0)、(0，R，0)、(0，-R，0)、(0，0，R)、(0，0，-R)。
表1六传声器各探头在空间直角坐标系中的坐标表
在本实施例中，六传声器三维声强探头的外接球半径的设计值有7mm、12mm、25mm三种情况，外接球半径的选择根据测量频率范围确定。
在本实施例中，六传声器三维声强探头的六个传声器采用MPA201 1/2英寸预极化电容体自由场传声器，其直径为1/2英寸，频率响应范围可达20Hz～20kHz，动态范围为16dBA～134dBA，本底噪声＜16dBA。
在本实施例中，PXI嵌入式控制器安装Labview软件，PXI嵌入式控制器采用PCIe-8821集成式控制器，其功能包括集成CPU、硬盘驱动器、RAM、以太网、视频、键盘/鼠标、串行、USB以及其他外设I/O，可提供高达8GB/s的系统吞吐量和2GB/s的插槽吞吐量；
在本实施例中，PC机安装Adobe Audition软件，声卡为带有A/D转换的高频声卡，正十二面体扬声器各扬声器之间采用串-并联的连接方式，保证单元内所有扬声器同相位辐射。
PXI-Express机箱采用NI PXIe-1062Q机箱，最多可支持8块板卡，为信号采集的输入和输出的端口个数和方式提供了多样化的组合形式，每插槽可提供高达1GB/s的专用带宽，保证信号的实时采集和传输，总计系统带宽超过3GB/s；在0℃到30℃的温度范围内的运行噪声能控制在43.6dBA以内，保证低噪声运行；
数据采集卡采用NI PXI-4461和NI PXI-4462声音与振动模块，NI PXI-4461模块提供了双通道动态信号生成和双通道动态信号采集，可实现2路同步更新模拟输入和2路同步更新模拟输出；NI PXI-4462模块提供了四通道动态信号采集，可实现4路同步更新模拟输入。这两个数据采集卡的最高采样速率均可达204.8kS/s，都具有118dB动态范围；本实施例测量采用6通道线阵列，采用NI PXI-4461和NI PXI-4462，实现六通道数据的同时采集。
在本实施例中，六传声器三维声强探头所采用的传声器的直径为1/8～1/2英寸；待测材料或构件8为聚酯纤维吸音板，尺寸(宽×高×厚)为1.21m×1.21m×9mm。全反射板9与不透声障板10均为混凝土板，尺寸(宽×高×厚)均为1.5m×1.0m×2cm。
本实施例还提供一种六传声器三维声强法吸声测量系统的测量方法，在全消声室中进行，包括下述步骤：
S1：根据所需测量材料吸声系数的测量频率范围确定六传声器三维声强探头的外接球半径；
当外接球半径为7mm时，该吸声系数测量系统的有效测量频率范围为1k-4kHz；当外接球半径为12mm时，该吸声系数测量系统的有效测量频率范围为500-2kHz；当外接球半径为25mm时，该吸声系数测量系统的有效测量频率范围为250-1kHz；
根据所需测量频率范围的最低频率确定不透声障板与待测材料或构件的距离，以减少低频声的绕射；
当不透声障板与待测材料或构件的距离为0.5m时，适合测量最低频率为1kHz；当不透声障板与待测材料或构件的距离为1m时，适合测量最低频率为500Hz；当不透声障板与待测材料或构件的距离为1.5m时，适合测量最低频率为250Hz。
S2：确定测量入射角度，当确定声源的某一斜入射角度后，根据实际安装情况放置待测材料或构件，调整正十二面体扬声器与待测材料或构件的直线距离为5m，将调整好外接球半径的六传声器三维声强探头布置在主要反射声线上，以六传声器三维声强探头的几何中心位置为原点，以1、2号传声器为X轴，与待测材料或构件平行；以3、4号传声器为Y轴，与待测材料或构件垂直；以5、6号传声器为Z轴，与水平面垂直；与此同时，保持正十二面体扬声器中心与六传声器探头的几何中心处于同一水平面，不透声障板与待测材料或构件的距离确定后，垂直于待测材料或构件放置好不透声障板；
在本实施例中，可选测量入射角度为45°，垂直于待测材料或构件距离1m放置好不透声障板。
S3：进行第一次测量，在布置被测材料或构件条件下，测量六传声器三维声强探头几何中心位置处的声强，由正十二面体扬声器依次发出测量频率的噪声信号，六传声器三维声强探头接收六通道声压信号：
六传声器三维声强探头几何中心位置处的声压，可通过各传声器声压求平均来近似估计，其在时域P0(t)和在频域P0(f)分别为：
其中，Pi(t)(i＝1-6)表示1-6号传声器的声压在时域的表达式；Pi(f)(i＝1-6)表示1-6号传声器的声压在频域的表达式。
各传声器指向六传声器探头几何中心位置处的质点振速在频域中的表达式Ui(f)(i＝1-6)为：
Ui(f)＝[P0(f)-Pi(f)]/j2πfρR (3)
根据六传声器探头的空间几何关系，可得出Ui(f)(i＝1-6)与六传声器三维声强探头几何中心位置处的质点振速在X、Y、Z三方向的分量Ux、Uy、Uz的关系：
联立(2)、(3)、(4)，即可得出Ux、Uy、Uz与各传声器声压Pi(i＝1-6)之间的关系：
其中，j为虚数单位，f为频率，ρ为空气密度，R表示六传声器三维声强探头的外接球半径。
将六传声器三维声强探头接收到的声压信号通过数据采集卡传输至嵌入式控制器，在基于Labview的吸声系数测量平台中完成各通道信号的时域显示以及三维声强计算。将1、2号传声器接收到的声压信号、3，4号传声器接收到的声压信号以及5，6号传声器接收到的声压信号分别进行互谱计算，进而计算得到X、Y、Z三方向的声强分量I1X(ω)、I1Y(ω)、I1Z(ω)：
其中，GAB表示A与B两传声器声压的单边互功率谱函数，Im表示取虚部。
此时，测量得到的为经待测材料或构件反射后的反射声强Ir：
S4：其他实验设置保持一致，在与待测材料或构件相同位置放置相同尺寸大小的不透声障板或全反射板，进行第二次测量(无待测材料或构件)。
在与待测材料或构件相同位置放置相同尺寸大小的不透声障板或全反射板，使得此时六传声器三维声强探头测量到的三维声强接近于入射声强，不透声障板主要起到遮挡扬声器到六传声器三维声强探头的直达声的作用；
由正十二面体扬声器依次发出相同频率的噪声信号，六传声器三维声强探头接收到的声压信号通过数据采集卡传输至嵌入式控制器，同样在基于Labview的吸声系数测量平台中完成各通道信号的时域显示以及三维声强计算。将1、2号传声器接收到的声压信号、3，4号传声器接收到的声压信号以及5，6号传声器接收到的声压信号分别进行互谱计算，进而计算得到X、Y、Z三方向的声强分量I2X(ω)、I2Y(ω)、I2Z(ω)：
这时，测量得到的声强可视作入射声强Ii：
S5：计算吸声系数与入射角度。将步骤S3与步骤S4计算得到的入射声强与反射声强传输至吸声测量模块，利用测量得到的六传声器探头几何中心位置处的入射声强与反射声强以及它们的矢量信息，如图3所示，计算得出声强反射系数RI(θ)，然后根据吸声系数α(θ)与声强反射系数的关系求得材料的吸声系数，具体计算公式为：
α(θ)＝1-RI(θ) (11)
入射角度θ可由第一次测量与第二次测量三维声强的X、Y轴分量之比的反正切求平均所得：
如图4所示，将入射角度θ与通过量角器测量得到的声源与材料的垂直中心线之间的入射角度θ′，两者之间的差值取绝对值，即可得到入射角度测量误差值：
Eangle＝|θ′-θ| (13)
本发明对所测材料要求不多，可根据材料实际安装时的情况进行测量，实现了斜入射条件下建筑材料吸声系数的测量，同时利用三维声强的矢量特性测量得到了声源入射角度，有助于实际工程测量中确定主要噪声源方向，且可应用于某些声源到材料或结构的入射角度不易获取的实际情况。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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