基于消声室检测的自动校准装置的研究

李 群

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

基于消声室检测的自动校准装置的研究

李 群

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

文中根据消声室当前的校准现状，依据《JJF 1147-2006 消声室和半消声室声学特性校准规范》的要求，对消声室的校准装置进行了研究和设计，研制了一套新的自动校准系统，并给出该装置的不确定度评定，提高了计量检测人员的工作效率和测试准确性，降低了人为因素对检测结果的影响。

声压级；消声室；计量校准；声学特性

1 概述

消声室作为声学计量的基础环境条件，一直在声学领域发挥着重要的作用，特别在空气声计量领域，大量声学仪器的试验、噪声测量以及声学领域的其他研究等，为了屏蔽不必要的噪声干扰都需要在消声环境下进行测量。所以，消声室的最低截止频率，以及自由场半径等技术参数决定了消声室是否满足测试需求[1］。福建省计量院研制了新的装置，能够高效、自动地测量最低截止频率和自由场半径等技术参数，实现了人工智能化的改进。

2 消声室校准的现状

近些年，消声室日益成为各省级计量技术机构的必备建设项目，甚至，很多地市级计量技术机构也有自己的消声室，面对着种类繁多、厂家各异的消声室，对消声室的校准就显得尤为重要。依据《JJF 1147-2006》消声室和半消声室声学特性校准规范的要求，[2］可以使用点测或连续记录测量，两者各有其优劣。点测比较耗时，且人为因素影响大，连续记录测量则很难保证传声器移动系统与记录仪绝对的同步测量，而且在移动过程中，滑轮产生的噪声也会对测试结果产生影响。笔者认为，点测法虽然较为耗时，但校准结果的可信度更高，因此对点测法的一些缺陷进行深入的研究。

（1）测量点数多，校准耗时长。

以一个长×宽×高=7.2m×7.2m×2.8m的半消声室为例，使用点测法测试三条线，分别为（OA、OB、OC），所有测量位置上各频率点的测点点数如表1所示：

表1 半消声室（7.2m×7.2m×2.8m）的测量点数

由表可知，该半消声室的自由声场的频率范围和空间范围的校准点有2125个，在每条测试路径用尺子人为步进移动传声器0.1m，固定后读取pulse上的声压级示值，再在记录纸上作原始记录，校准时间极长，以该半消声室来说，校准要耗时2～3天。

（2）手工步进移动精度较低，引入误差较大。

依据现有手动校准装置，在每条测试路径用卡尺人为步进移动传声器0.1m（用肉眼读尺子上刻度），精度较低，距离测量误差最大估计为10mm，所引入的最大误差为±0.07dB，按均匀分布考虑，取，故其引入的不确定度为：。

（3）数据处理复杂。

自由场精度反平方律的计算。

在规定位置测得的声压级，在每个测量方向上用以下公式（1）计算反平方律声压级，

式中：L——距离r处的反平方律声压级，dB；

r——测量距离，m。

参数a由下式计算给出[3］：

Lpi——第i个测量点的声压级，dB；

ri——声源假定声中心到测量点的距离；

N——沿每个传声器路径的测量点数目。

r0为声源实际中心与假定声中心之间的距离。r0由下式（3）给出：

由上述公式可知，自由场的反平方律计算比较复杂，且数据需要在测试完整条路径后才能得出，如测试期间有出现偏离数据或离散数据，将对整条路径的测量有很大的影响。

3 消声室自动校准装置各组成部分功能及设计要求

3.1 传动控制部分设计

如图（1）所示，将夹有传声器的滑动轮小车安装在测试路径的钢丝绳上，钢丝绳一端固定于带吊环的吸盘，另一端固定于消声材料的滑轮上，小车用牵引绳牵引着，应保证滑动小车在钢丝绳上行进应平稳，顺滑，计算机通过步进电机自动控制传声器沿着测试路径的移动，以保证在规定线路上停下测量，其中滑轮上安装的夹具有10～15mm的水平调整空间，以便不同尺寸传声器的安装。

图1 消声室自动校准装置传动部分示意图

PC机通过以太网向运动控制器发出控制指令并获取其信息，通过动态链接库可以实现对自己的单轴电机走动进行精确、高速、协调的控制。

运动控制可以描述为以下几个步骤：

（1）PC应用程序，通过参数配置，人机操作接口传递给设备的控制软件；

（2）设备的控制软件将操作信息转化为运动参数并根据这些参数调用DLL库；

（3）运动函数调用运动控制器驱动程序发出控制指令给控制器；

（4）运动控制器再根据控制指令发出相应的驱动信号（如脉冲、方向信号）给驱动器及电机、读取编码器数据、读写通用输入输出口。

图2 消声室和半消声室自动校准装置硬件控制部分

3.2消声室和半消声室自动校准装置的控制系统

该系统通过计算机控制伺服电机驱动系统，实现对传声器的速度和步进位移的控制。且在运行的过程中，实时读取pulse（3560B）声分析系统的声压级示值，并做数据处理。控制系统方案见下图3。

图3 消声室和半消声室自动校准装置的控制系统方案

在上述系统设计中，PC机作为上位机，通过对上位机的控制完成传声器的步进移动、声压级示值读取、数据处理等，故该PC机应置放于消声室和半消声室门外，可避免人为操作、说话、行动等发出的噪声对校准结果（声压级示值）的影响。步进驱动系统由“PC+运动控制器+交流伺服驱动器+交流伺服电机+传声器”组成，而PC置放于室外，传声器在室内，交流伺服控制器+交流伺服电机间的CN1控制信号线电缆不超过3米，反馈信号CN2电缆长度不超过20米，故运动控制器+交流伺服驱动器+交流伺服电机也必须置放于室内，运动控制器须选用以太网接口的网络型运动控制器，一方面能满足VC软件系统的开发需求[4］，另一方面以太网接口的网线能满足室外的PC与室内的交流伺服系统的长距离连接需求。

声压读取系统由“PC+Pulse声分析系统+传声器”组成，该声分析系统也须选用网络型接口的，用于支持长距离连接。

3.3 数据处理系统

PULSE系统的平台包括软件、硬件两个部分。测量平台可搭建为图4所示。硬件部分为3560B型数据采集前端，前端中的模块可以按照用户的测量和分析任务来选择，其中必须包含一个网络接口模块，如7533、7536或者7537、7539型模块[5］。软件部分为7700型平台软件及其应用软件（7700型还可以细分为7770型FFT分析和7771型CPB分析）。

图4 PULSE读取系统

该装置通过VC++,自动调取pulse的测试数据，并对数据进行分析和计算，自动得出每个频率点、每个点位的声压级以及偏差。如图5所示。

图5 声压级以及偏差自动测量软件

4 结论

所设计开发出的全消声室和半消声自动校准装置，实现了计算机自动控制传声器的步进移动，自动读取pulse声压级示值并作数据处理，打印出完整的校准结果记录。将原先需要2～3天的工作量减少到0.5天，很大程度上提高了计量检定人员的工作效率，降低了人为因素的影响，提高了消声室检测的准确性。

[1］《计量测试技术手册》编辑委员会. 第9卷 声学计量测试技术手册[M］. 中国计量出版社. 1995.

[2]GB 50800-2012 消声室和半消声室技术规范 [s］.

[3]JJF 1147-2006 消声室和半消声室声学特性校准规范[s］. 2006.8.

[4］孙洪鹏. 消声室在声学计量方面的研究[J］.计量与测试技术，2015（8）.

[5］朱德铭,邝永辉,艾晓晓.PULSE电声测量系统在传声器指向性测量中的应用 [J］. 电声技术,2015（8）.Research on Automatic Calibration Device Based on Anechoic Room Testing

LI Qun
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

This paper based on the current anechoic room calibration status, according to the requirement of JJF 1147-2006 ‘calibration specifi cation on acoustic characteristic of Anechoic room and semi-anechoic room’, makes a research and design on the calibration device of anechoic room. The paper has beendeveloped a new automatic calibration system, and provided the uncertainty evaluation of the system, to improve the effi ciency of test personnel and test accuracy, and reduce the infl uence of human factors on test results.

Sound pressure level; Anechoic room; Metrology calibration; Acoustic characteristic

2016-03-18

李 群，男，福建省计量科学研究院，力学室副主任，工程师，硕士