两种用于声学缩尺模型的声源研制

王芳莹，张三明

两种用于声学缩尺模型的声源研制

王芳莹，张三明

(浙江大学建筑技术所，浙江杭州 310058)

理想的声学缩尺模型测试用小型无指向性声源，需要具备以下条件：足够小的线度、无指向性辐射、较为平直的高频频率响应以及足够高的测试信噪比，并且能稳定地重复发出受控信号。设计制作了两种线度小于15 mm的小型无指向性声源：导管式点声源和六面体声源，并在简易消声室内测试了其各自的指向性与高频频率响应。测试结果表明，对于1:10的缩尺比例，两种小型无指向性声源的测试信噪比都能达到35 dB以上，无指向性辐射均满足《JJF 1468-2014 无指向性声源校准规范》要求。导管式点声源的高频频率响应更为平直，但小型六面体声源在额定功率下具有更高的信噪比。两种声源均可用于建筑声学缩尺模型试验。

无指向性声源；频率响应；缩尺模型；声学试验

0 引言

对缩尺模型所用的声源有4方面的要求：(1) 具有足够小的线度，避免对测试声场产生干扰；(2) 具有无指向性辐射；(3) 要能产生满足试验需求的高频信号，且在测试频率范围具有较平直的频谱特性；(4) 要有足够的声压级，以获得所需信噪比[2]。

现有的厅堂声学测试系统中常用的声源主要包括：十二面体球声源、电火花发生器、发令枪、气球爆破等。考虑到线度问题，目前缩尺模型试验最常用的声源为电火花发生器，其缺点为重复性差，只能发出脉冲声，不能发出受控信号。因此，研制能稳定发出受控信号的、适用于声学缩尺模型试验的小型无指向性高频声源，对建筑声学试验研究具有重要意义。

1 导管式点声源

1.1 导管式点声源结构

本文导管式点声源是将一个10 cm的高频扬声器单元固定在边长10 cm左右的密度板方盒内，扬声器阻抗8 Ω，额定功率40 w，盒子壁厚1 cm，内部填充麻丝吸声棉。在固定扬声器的盒子壁中部开一个直径4 mm的圆形小孔，插入一根外径4 mm，壁厚0.5 mm的不锈钢中空导管，导管式声源的结构示意图如图1所示。扬声器引线从盒子侧壁另开小孔传出。所有的孔隙和拼缝均用防火泥填充，外贴橡胶隔声胶带，以提高盒子整体的隔声性能，导管式声源的实物照片如图2所示。

图1 导管式点声源结构示意图(单位：mm)

图2 导管式点声源实物照片

1.2 声波导管管径的选择

这就表示，对于内半径已知的刚性壁声管，可以确定其截止频率，那么只要声源(非极轴对称振动)的工作频率比它低，在管中就能产生唯一的平面波。例如，对于20 kHz的声波，若要保证管内有较为纯净的平面声场，管内半径不应大于4.9 mm。

但是，管子比较细并且声源频率比较高时，管壁对媒质质点的运动会产生不可忽略的粘滞阻力，这种影响将引起声传播过程中的热损耗，通常用表示声波衰减系数(或称细管粘滞吸收系数)，越大声波随传播距离衰减得越快[3]，其公式可表示为

从式(2)中可以看出，管子越细或者频率越高，这种由粘滞产生的吸收效应就越显著，声音在管子中传播时产生的衰减也越大。因此，在选择管径尺寸时，应综合考虑同时满足有足够高的截止频率和管口有效声压级两个条件。因缩尺模型试验所用声源频率通常达到20 kHz及以上，本次导管式点声源在满足管口有效声压级大于55 dB的前提下，选用了内径3 mm的细管。

2 小型六面体声源

现有的多面体扬声器是根据“理想点声源”的声学特性设计而成，模仿点声源对各方向辐射声音能力相同的特征(即等声压级面为一球面)。目前在厅堂声学测量中应用较多的十二面体球声源，直径通常在300～400 mm，由于其线度太大，所以不适用于缩尺模型测量。日本的TAKAYUKI H[4]等和国内同济大学的莫方朔等[5]曾参考普通十二面体声源分别设计制作了小型十二面体和六面体无指向性声源，但由于市面上并无实物，因此，本文根据相同的原理制作了小型六面体声源，并对其声学特性进行研究。

2.1 小型六面体声源结构

本文六面体声源由6个直径8 mm的同型号动圈式耳机扬声器并联而成，其结构示意图如图3所示。单只扬声器的额定阻抗为28 Ω，额定功率为60 mW。六个扬声器分别固定在边长为14 mm的正方形木质箱体的六个表面正中开口上，扬声器引线均从正方体一角开口穿出，并用热缩管固定成一束，其实物图如图4所示。

图3 小型六面体声源结构示意图

图4小型六面体声源实物照片

2.2 声源线度的确定

对于1:10的缩尺模型，通常要求测量到中心频率20 kHz的倍频程(或1/3倍频程)，这对应实际厅堂声学测量中的2 000 Hz。因此，小型六面体声源线度至少应小于20 kHz对应的波长，即17 mm，且边长越小越好。在满足扬声器可牢固安装的前提下，小型六面体声源边长最终取14 mm。

3 频率响应与指向性测试

3.1 粉红噪声信号处理

根据国家标准GB/T9396-1996及GB/T 6882- 2008，扬声器频率响应和指向性的测量信号应使用粉红噪声。粉红噪声是一种具有连续谱的无规声，其功率谱密度与频率成反比，在等比例带宽中能量相等，在线性坐标中以每倍频程-3 dB斜率下降[5]。粉红噪声低频成分较多，然而1 000 Hz以下(在1:10缩尺模型中对应100 Hz以下)频率对于缩尺模型试验并无重要作用。考虑到小型扬声器功率有限，为了提高声源信号的利用效率，在本次测量中，使用CoolEditPro软件的图形均衡滤波器调整粉红噪声中1 000 Hz以下的增益为-70 dB，使得信号能量主要集中在1 000 Hz及以上部分如图6所示。下文简称处理后的粉红噪声为“高频粉噪”。

图6 调整前后粉红噪声频谱对比

3.2 频率响应

扬声器的频率响应是指在自由场或半空间自由场条件下，相对于参考轴和参考点的指定位置，以规定的恒定电压测得的作为频率函数的声压级。本次测量在浙江大学建筑技术所的半消声室内进行，地面铺设10 cm厚的麻丝吸声棉，以减少地面反射，测点距离扬声器中心50 cm，测量3次取平均值。使用笔记本电脑通过B&K 2706功率放大器连接待测扬声器发出高频粉红噪声，用B&K 2270声级计接收信号，最后导入笔记本电脑进行FFT分析计算(见图7)，得到扬声器的频率响应(见图8)。

图7 频率响应测量原理图

图8 两个点声源的频率响应图

对于导管式点声源，1.25～2.5 kHz的声压幅值高于55 dB；2.5～10 kHz的声压幅值在53 dB左右，但出现多个峰值，这是由于扬声器振动板的阻尼不足而造成的线性失真[7]。在频率10 kHz后声压幅值呈明显下降趋势，一方面，是由于扬声器在高频时其振动板的有效振动面积随频率的升高而减小，有效的辐射阻抗因此下降，导致辐射出的声功率下降[7]；另一方面是由于细管的粘滞阻力随频率增大，产生了能量损失。

对于小型六面体声源，在1.25～4kHz频率范围内，频响曲线随着频率的提高呈上升趋势，之后随频率的升高而下降，十分符合耳机用微型扬声器单元的频率曲线特征[7]。

从测得的结果可以看出，小型六面体声源在1.25～20 kHz频率有效范围内，总体较为平缓，声压级在58 dB左右，基本符合缩尺模型测量的需求。

3.3 指向性

扬声器的指向性是指扬声器辐射的声压随方向不同而变化的特性，它反映了扬声器在不同方向上的声辐射能力[3]。以dB表示的声源指向性指数根据测量值由式(4)表示：

本文的平面指向性研究主要对扬声器在水平面和两个相互垂直的竖直面上的指向性进行分析，并以极坐标图形表达。指向性测试在浙江大学建筑物理试验室半消声室内进行，地面铺设10 cm厚麻丝吸声棉。以扬声器中心为球心，半径为50 cm的球面上选取包含对称轴且相互垂直的3个平面，每个平面上每隔15°进行一次测量，共计66个测点，如图9、表1所示。表1、图9仅标注部分测点经纬度，用于图10方向定位。使用笔记本电脑通过B&K 2706功率放大器连接待测扬声器发出高频粉红噪声，用B&K2270声级计及1/3信频程频率分析仪接收信号，最后导入笔记本电脑分析计算中心频率标称值范围1.25～20 KHz的1/3倍频带声压级，并选取4个具有代表性的中心频率绘制扬声器的指向性图，结果如图10所示。

从图10可以看出，两种声源在1:10缩尺模型试验时，在实际频率125Hz～2kHz有效范围内，指向性指数误差不超过±6 dB，基本符合无指向性声源的要求。其中，导管式点声源在水平面上的指向性要优于小型六面体声源，但在竖直面方向上，点方向上的指向性指数明显偏大，推测是由于不锈钢导管和装有扬声器的箱体有少量透声。小型六面体声源的指向性不如导管式点声源，推测是由于6个扬声器振动相位不同步，并且声波发生了一定的干涉现象。

图9 部分指向性测点位置分布图

表1 部分测点位置在球面上的经纬度

图10 两个点声源的指向性图测量结果

4 结论

本文研制了两个适用于建筑声学1:10缩尺模型测量的小型无指向性声源。测试并分析了两者在特定频带内的频率响应和指向性。结果表明，两者均符合1:10缩尺模型用小型无指向性声源的标准。目前两款声源功率不是很大，使用会受到一定限制，后续将研制功率较大的声源。

[1] 康健. 厅堂声学缩尺模型五十二年[J]. 应用声学, 1988(2): 31-37.

KANG Jian. The development of acoustic scale models for concert halls in the past 52 years[J]. Applied Acoustics, 1988(2): 31-37.

[2] 张钰, 张三明, 郭晓娟. 厅堂声学缩尺模型试验综述[J]. 建筑与文化, 2013, 1(1): 104-105.

ZHANG Yu, ZHANG Sanming, GUO Xiaojuan. Summary of acoustic scale model experiment in concert hall[J]. Architecture & Culture, 2013, 1(1): 104-105.

[3] 杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬. 声学基础[M]. 南京大学出版社, 2012.

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[5] 莫方朔, 盛胜我. 超小型无指向性高频声源: 中国, 101330768A[P]. 2008-12-24.

[6] 黄松华, 马静, 邱小军. 数字粉红噪声生成研究[J]. 电声技术, 2006, 2006(11): 56-58.

HUANG Songhua, MA Jing, QIU Xiaojun. Research on digital pink noise generation[J]. Audio Engineering, 2006, 11(11): 56-58.

[7] 叶顺忠, 叶希杰. 实用电声与微型扬声器[M]. 北京: 国防工业出版社, 200.

Development of two miniature loudspeaker for acoustic scale model

WANG Fang-ying, ZHANG San-ming

(Architectural Technology Institute of Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China)

An ideal acoustic source for acoustic scale model test needs to meet the following conditions: small size, omnidirectional radiation, relatively flat high-frequency response, adequate signal-to-noise ratio for test, and stably sending controlled signals. In this paper, two miniature omnidirectional acoustic sources (Conduit Point Acoustic Source and Hexahedral Source) with a size of less than 15mm are developed, and their directivities and high frequency responses are tested in a semi-anechoic room respectively. The test results show that with a scale of 1:10, the signal-to-noise ratio of the two miniature omnidirectional acoustic sources can reach more than 35dB, and their directivities all meet the requirement of omnidirectional radiation according to the "JJF 1468-2014 omnidirectional acoustic source calibration specification". The high frequency response of the Conduit Point Acoustic Source is more flat, but the Hexahedral Source has a greater signal to noise ratio at rated power. Both acoustic sources can be used for acoustic scale model experiments.

omnidirectional acoustic source; frequency response; scaled model; acoustic experiment

TU112

A

1000-3630(2019)-06-0670-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.06.012

2018-09-09;

2018-11-02

国家自然科学基金(51878594)

王芳莹(1992－), 女, 浙江杭州人, 硕士研究生, 研究方向为建筑声学。

张三明, E-mail: Zhangsm@zju.edu.cn