修正聲強測量系統設計及實驗驗證

陸益民，紀明祥，陳　品，李志遠

（合肥工業大學噪聲振動研究所，安徽 合肥 230009）

修正聲強測量系統設計及實驗驗證

陸益民，紀明祥，陳品，李志遠

（合肥工業大學噪聲振動研究所，安徽 合肥 230009）

傳統的聲強測量系統價格昂貴，有限差分的存在使得測試頻域受到探頭間距的限制，寬頻噪聲需分段多次測量。根據互譜聲強算法，利用采集卡、傳聲器和虛擬儀器技術開發出一套便捷、高效、低成本的聲強測量系統，包括數據采集、系統聲壓靈敏度標定、相位失配標定和聲強測量。針對算法中存在的有限差分誤差進行修正，在半消聲室中以寬帶白噪聲為聲源，用開發的聲強測量系統分析探頭間距為20mm和50mm時探頭軸線和聲源傳播方向夾角分別為0°、45°的修正前后聲強誤差。結果表明該聲強測量系統有效，修正后同一探頭間距測試頻域得到拓展，聲強準確度得到提升。

聲強測量系統；修正聲強；有限差分；誤差分析

0　引　言

聲強具有方向性的優勢在現代聲學測量中得到體現，聲強測量不需要特定的消聲室或半消聲室，隨著聲強技術和測試軟硬件的發展，聲強測量已廣泛應用于聲功率測試［1］、噪聲源識別［2］、聲場特性分析［3］等方面，國內也用聲強技術解決了大型電器設備的聲學測量難題［4-5］。聲強技術的應用離不開高準確度的測試系統，做得比較好的有丹麥B&K、日本ONO SKKI、丹麥G.R.A.S，目前比較先進且用得最多的有B&K Pulse 3560、愛華AWA6290S及合肥工大自主設計的數字式聲強探頭的測試系統［6］。但是這些設備造價昂貴且測試準確度受到相位失配誤差尤其是有限差分誤差［7］的限制，它的誤差導致特定探頭間距只能測試特定的聲源頻域，對于寬帶聲源則需要分頻段多次測量。本文采用修正算法運用虛擬儀器技術開發出一套便攜高效、準確度高、低成本的聲強測量系統，并以點聲源為例，在半消聲室中對測量系統誤差測試分析，驗證本聲強測量系統的有效性，并考慮不同探頭間距時探頭軸線與聲源傳播方向不同的夾角，驗證修正方法的有效性。

1　修正聲強測量原理

互譜聲強探頭是用兩個相距為d的傳聲器A和B組成，用探頭平均聲壓代替探頭中點聲壓，以聲壓的一階差分代替方向的聲壓梯度，早在1977年 F.J.Fahy給出了互譜聲強的理論計算［8］：

式中：ρ——介質密度，空氣中為1.29kg/m3；

d——傳聲器間距；

ω——圓頻率；

Im［GAB（ω）］——A和B聲壓信號修正互功率譜的虛部。

現在將上式作分解如下：

式中：pA（ω），pB（ω）——傳聲器A和B的聲壓幅值譜；

φA（ω），φB（ω）——傳聲器A和B的相位譜。

對于平面波和點聲源，時均聲強的理論計算公式如下：

式中：pe（ω）——測點聲壓幅值譜；

k（ω）——波數譜；

θ——探頭軸線與聲源傳播方向的夾角。

對于平面波和點聲源的遠場，由式（2）和式（3）得到互譜聲強實測相對誤差為

文獻［9］通過對有限差分誤差原理分析，通過數值仿真，給出了考慮聲強探頭軸線和聲源傳播方向不一致的情況時，有限差分誤差的修正公式：

根據式（2）得到修正聲強算法：

式中：Abs［GAB（ω）］——A、B聲壓互譜幅值譜；

Angle［GAB（ω）］——A、B聲壓互譜相位譜。

則修正后的殘余實測誤差為

2　聲強測量系統

本文以LabVIEW為平臺［10］，利用NI9234集成采集卡和普通的電容傳聲器開發了一套聲強測量系統，并對聲強算法方面進行了修正，系統測試流程如圖1所示。

圖1　聲強測量系統測試流程

2.1參數設計及信號采集模塊

采集系統采用生產者與消費者模式，保證數據不會丟失，在CPU頻率足夠的情況下實現信號的實時采集，這個部分主要包括采集卡選擇與參數設置、系統聲壓靈敏度設置、采樣參數設置和數據保存。系統聲壓靈敏度需要校準，采用活塞發生器發出1000Hz、94dB的聲波來校準。

標定原理如下式：

式中：LAnew——新的聲壓轉換常數；

LAold——舊的聲壓轉換常數；

LA——舊聲壓轉換常數下的聲源聲壓級；

LS——標準聲源聲壓級。

2.2相位失配誤差標定模塊

聲強測量中兩個通道相位不匹配是聲強測量誤差的主要來源之一，尤其是對低頻聲源的影響較大，組成聲強探頭的兩個傳聲器最好能高度匹配，在測試之前應該對這種相位失配進行標定。本系統采用傳遞函數法［11］標定和修正相位失配，即讓兩個通道接受同一信號源，通過計算兩個通道的傳遞函數相位譜來獲得相位失配，標定原理為

式中：hAB——通道傳遞函數；

hA，hB——兩通道的頻響；

p——聲源復聲壓；

PA，PB——通道A、B實測聲壓譜；

HAB——實測兩通道傳遞函數。

相位失配修正原理為

式中：GAB——修正互譜；

在同一聲場下，兩通道之間的傳遞函數等于實測聲壓的傳遞函數，主要根據式（9）和式（10）就可以由兩個通道的實測聲壓得到修正互譜值。

2.3聲強測量模塊

運用互譜聲強公式給出聲強測試模塊，這部分包括：修正前后的聲強譜和聲強級譜、1/3倍頻程、頻域計權。頻域計權主要有A計權和線性計權。1/3倍頻程采用頻帶劃分，能量疊加的方法來計算，并對邊界頻率處采用線性插值法劃分能量，聲強修正包括相位失配誤差修正和有限差分誤差修正，修正前后聲強算法在LabVIEW中的實現過程如圖2、圖3所示。

圖2　互譜聲強算法流程

圖3　修正互譜聲強算法流程

3　驗證試驗

為了驗證聲強測量系統和修正方法的有效性，以白噪聲形式的點聲源為例在半消聲室中進行測試實驗，反射面為剛性玻璃，吸聲系數為0.01，吸聲面為吸聲棉，吸聲系數為0.995，有效測試空間尺寸為8.5 m×7.6 m×5.5 m，不開空調時的背景噪聲＜11 dB。用Matlab信號發生器發出的均勻白噪聲連接揚聲器做聲源，此聲源不產生相干場，將其安放在反射面的幾何中心上，聲源特征尺寸為0.1 m，聲學中心距離反射面0.05 m，按照國標GB/T 6882——2008［12］，聲強探頭距離聲源1m。采集卡為4通道的NI 9234，這種便攜式的測量設備內部電路中包含了放大衰減和濾波部分，并且有內置恒流源，由IEPE開關控制，NI 9234具有102dB的動態范圍、4通道、24位分辨率、采樣率可達51.2 kHz，聲強探頭由兩個普通的1/2英寸傳聲器YG-201組成，通道A、B的靈敏度分別為43.6，45.5 mV/Pa，校準后聲壓級誤差＜0.05 dB。測試探頭間距分別為20，50mm，每種間距分別測試探頭軸線與聲源傳播方向夾角0°和45°兩種工況。

兩個通道間相位失配采用文獻［13］給出的現場標定方法進行修正，在實測的噪聲環境下，將兩個探頭對接，使其接受統一聲源信號，計算他們的傳遞函數得到相位失配值，相位失配標定及修正后相位差結果如圖4所示。

圖4　通道相位失配誤差標定

此探頭的相位失配誤差主要出現在高頻部分，經修正后在20～10 000 Hz范圍內誤差均＜0.3°，滿足聲強測試的探頭要求。

測得測點的聲壓級，由式（3）算得其聲強級真值，根據式（1）和式（6）分別測得修正前后的聲強級，通過對比聲強修正前后的誤差來判斷本測量系統和修正方法的有效性，實測誤差譜結果如圖5所示。

圖5　聲強級誤差圖

圖5表明在以±1dB誤差為參考，修正前的聲強測量誤差滿足測試要求，并且20 mm間距在夾角為0°時，修正前的可測范圍為250～2 500 Hz，修正后的可測范圍為250～8000Hz；20mm間距在夾角為45°時，修正前的可測范圍為250～4000Hz，修正后的可測范圍250～10 000 Hz；50 mm間距在夾角為0°時，在修正前的可測范圍為250～1000Hz，修正后的可測范圍為250～2500Hz；50mm間距在夾角為45°時，修正前的可測范圍為250～1600Hz，修正后的可測頻域范圍為250～4000Hz。

250 Hz以下頻帶的誤差超出1 dB并非是由修正前后測量系統引起，而是受聲場干擾、測試距離、相位失配誤差修正不完全等因素，導致實測聲場中低頻部分點聲源場理想程度不如高頻部分，此時低頻的聲強真值用式（3）計算并不可靠，故本測量實驗在小于250Hz的低頻內表現出來的誤差要大于1 dB，這一頻段將不作參考。如果能夠配以相位高度匹配的傳聲器對并且使用足夠精度的校準方法時，低頻誤差可以得到修正，使系統能在非常低的頻帶下依然達到測試要求。

表1　修正前后總聲強級誤差

表1給出了互譜聲強修正前后的總聲強級誤差，以修正前標準的可測頻帶作分析，結果表明，修正前后的總聲強級誤差均小于1dB，修正后的聲強級有更高的準確度；以修正后拓展的可測頻帶作分析，結果表明，在修正前總聲強級誤差已經超出1dB的范圍，而修正后的總聲強級誤差依然保持在1dB以內，并且擁有很高的準確度。

4　結束語

基于虛擬儀器的聲強測量系統，利用普通傳聲器和集成采集卡可將誤差控制在1dB以內，滿足一般的工程試驗要求，可以運用于噪聲源識別和聲功率測量。利用半消聲室模擬點聲源法驗證互譜聲強修正方法的有效性，修正后的測量系統有更高的測量準確度和更寬的測試頻域。在測試寬頻帶噪聲源時，一般聲強系統需要分頻段用不同的間距多次測量，而利用本系統修正聲強測試部分，選擇合適的探頭間距，選用相位高度匹配的探頭或者對相位失配精確的校準，可一次測得聲源聲強譜，提高測試效率。

［1］JOSé A B，MARCOS D F，MAJESU′S B.Using selective intensity and a HATS to evaluate noise sources in a car working at idle［J］.Applied Acoustics，2014（76）：1-13.

［2］KIM B H，JANG J U，LEE S K.Sound Intensity and acoustic source quantification to identify the noise con tributions of gasoline direct injection components［J］.Acat Acustica United With Acustica，2013，99（2）：323-330.

［3］NEJADEA.Reference-lessacoustic holography techniquesbasedonsound intensity［J］.Journal of Sound and Vibration，2014（333）：3598-3608.

［4］李志遠，陳慧，陳品，等.大型設備的聲功率級聲強測試方法［J］.振動、測試與診斷，2013，33（2）：311-314.

［5］黃國興，李志遠，陸益民，等.基于聲強法的電力電容器噪聲的測試與分析 ［J］.組合機床與自動化加工技術，2014（2）：72-74.

［6］陳品.基于數字式聲強探頭的測試系統研究與誤差分析［D］.合肥：合肥工業大學，2012.

［7］蔣孝煜，連小珉.聲強技術及其在汽車工程中的應用［M］.北京：清華大學出版社，2001：236.

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［9］陸益民.互譜聲強測量誤差分析及修正方法研究［D］.合肥：合肥工業大學，2008.

［10］張金.LabVIEW程序設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2015：23-40.

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［12］聲學-聲壓法測定噪聲源聲功率級-消聲室和半消聲室精密法：GB/T 6882—2008［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［13］甘長勝，陳心昭，許濱.現場修正聲強測量系統相位失配誤差方法研究［J］.合肥工業大學學報，1998，21（3）：1-6.

（編輯：李剛）

Design and experimental verification of corrected sound intensity measurement system

LU Yimin，JI Mingxiang，CHEN Pin，LI Zhiyuan
（Institute of Sound&Vibration Research，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

As the traditional sound intensity measurement system is expensive and the finite difference makes the test frequency domain be limited by probe interval and broadband noise be measured by sections in several tests，a set of convenient，efficient and low-cost sound intensity measurement system covering data acquisition，system sound pressure sensitivity calibration，phase mismatch calibration and sound intensity measurement was developed by using capture card，microphoneandvirtualinstrumenttechnologyaccordingtocrossspectrumsoundintensity algorithm.It corrects the error of finite difference in the algorithm and analyzes the error of sound intensity after and before correction when the included angle in probe axis direction and sound source transmission direction is 0°and 45°respectively（when the probe interval is 20mm and 50mm）with the developed sound intensity measurement system by taking the wideband white noise in semi-anechoic room as the sound source.Results show that the sound intensity measurement system is effective and after the correction，the test frequency domain at one same probe internal is expanded and the sound intensity accuracy is improved.

sound intensity measurement system；corrected sound intensity；finite difference；error analysis

A

1674-5124（2016）06-0070-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.06.016

2015-12-08；

2016-01-13

陸益民（1972-），男，安徽合肥市人，副教授，博士，研究方向為噪聲與振動控制。