使用脉冲声和矢量传声器的现场测量吸声系数*

陈 昕 赵 静 陈志菲 侯 宏 鲍 明 杨建华

(1 西北工业大学航海学院 西安 710072)

(2 中国科学院声学研究所 北京 100190)

(3 气动噪声控制重点实验室 绵阳 621000)

(4 西北工业大学自动化学院 西安 710072)

0 引言

吸声测量传统的方法有阻抗管法[1-2]和混响室法[3]。阻抗管法包括驻波比法和传递函数法。这几种方法现已有成熟的测量技术，并制定了相关标准[1-3]。很多实验研究都是在此基础上进行改进或者以这些测量方法为标准进行对比实验的。但是这些都是需要在阻抗管、混响室等特定环境下才可以测量的方法，而且被测试样需要裁剪，裁剪精度对测量结果影响很大。

脉冲反射法是一种现场测试方法。现场测试时，声源发出的声波会被周围环境反射，从而导致采集的信号不准确，如果声源发出的信号时间足够短，就可避免周围环境反射声的影响，从而分离出直达声和反射声进行吸声系数计算。Davies等[4]用脉冲信号测量材料的阻抗和吸声系数，前提是要控制好脉冲信号的大小，以及传声器到材料之间的距离，使得入射脉冲和反射脉冲在传声器位置明显地分离开，这种方法在某种极限角度下结果并不准确。Mommertz[5]利用减法技术，改进了反射法，使得在任意入射角度下都可以确定材料的复反射系数和吸声系数。谢荣基等[6]结合时间窗技术和波形消除技术用脉冲法测试材料的吸声系数，并将结果与实验室法进行对比，结果表明有较好的一致性。

一般情况下，测试采用的传感器是声压传感器，也有研究人员使用矢量传声器进行测试[7-9]。矢量传声器可以同时测得声压和质点振速。国外Microflown公司已发明出相关产品[10]，现在已经商业化并得到了广泛应用，Lanoye 等[8]以及李凌志等[9]使用该公司的产品进行了现场吸声测试，但是测试方法的准确度依然依赖于传感器的校准。Lin等[11]基于脉冲反射法分别使用质点振速测量和声压测量，将所得结果进行比较，证明使用质点振速测量具有更好的抗干扰反射能力，但其仍然需要用到时域相减技术。时域相减技术需要严格地将两个时域波形对应起来再相减，时间如果存在同步偏差时，会对测试结果造成较大同步误差。

本文使用矢量传声器和脉冲声进行现场吸声测试，不需要对矢量传声器进行校准，也不需要分离直达声和反射声，可测在宽频带下的吸声系数，环境噪声和背景噪声对结果影响不大。

1 测试方法

1.1 测试原理

本文测试的实验装置如图1 所示，被测材料放在硬地面上，矢量传声器位于声源的正下方，扬声器声中心与被测材料的距离为hs，矢量传声器与被测材料的距离为h。需要注意实际应用的扬声器的形状是多种多样的，扬声器的有效声中心与出声口往往会有偏差，若直接使用出声口与被测材料的距离进行计算会有一定的误差，具体扬声器声中心的确定方法国内外人员都有相应的研究[12-13]，可选其中一种合适的方法进行判定。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

基于平面波反射系数的镜像源模型，反射系数的计算公式为[14]

其中，Zmeasure是测试材料表面的阻抗，Zff是自由场中的阻抗，k是波数。矢量传声器可以同时采集到声压p和质点振速u，p/u即为阻抗，当Zmeasure和Zff是相继测量时，就不必对矢量传声器进行校准，因为校准数据可以在比值Zmeasure/Zff中抵消。

吸声系数α可以用公式(2)计算得出：

1.2 脉冲声信号的产生

对数扫频激励信号根据公式(3)生成[15]：

其中，A是幅值，T是信号持续的时间，ω1是初始角频率，ω2是结束角频率。综合考虑扬声器的频响和镜像源模型，选择的频率范围为1000～12000 Hz；扫频信号生成的时候，采样率设置为65536 Hz；考虑测试时间和卷积计算耗时，选择持续时间为5 s。

本文使用的对数扫频信号如图2(a)所示。为了减少测试信号开始和结束时对系统造成的瞬态冲击，使用Adobe Audition软件中的淡入淡出功能对信号进行处理。将图2(a)的信号在时域中进行反转，然后在Adobe Audition商业软件中进行振幅包络处理，得到的逆滤波器信号如图2(b)所示。使用对数扫频信号激励扬声器，将采集到的信号与逆滤波器信号进行卷积即可得到对应的脉冲响应。

图2 测试使用的扫频信号和逆滤波器信号Fig.2 Sweep signal and inverse filter signal used in the test

同样根据扬声器的频响和矢量传声器的频响，选用10 阶，截止频率为12000 Hz 的Butterworth低通滤波器脉冲响应信号，由于这个脉冲持续时间很短，因此采样率设置为131072 Hz，如图3所示。

本文使用对数扫频脉冲、Butterworth 脉冲进行测试，脉冲声时间短，当脉冲声的持续时间比周围环境反射和干扰噪声形成时间短时，测试得到的就是有效信号，可以有效地减弱周围环境反射和干扰噪声的影响。有较多的文献是使用白噪声测量吸声系数的，因此本文也使用白噪声激励扬声器，并使用本文的测试方法计算吸声系数，与脉冲声测试结果进行对比，结果将在2.3节直接给出。

2 实验结果

2.1 自由空间测试

在全消声室中进行测试，扬声器(FOSTEX FF85WK)与矢量传声器(南京粒子科技有限公司提供) 朝向天空，相隔约30 cm，如图4 所示，若距离太近会不符合镜像源模型。采用B&K 的采集模块(Type 3160-A-042)和对应的PULSE 采集软件(Labshop)，能够发出指定的声源信号并实现采集的功能。

图4 全消声室测试情况Fig.4 Test of full anechoic chamber

分别使用不同脉冲激励扬声器。使用对数扫频脉冲激励扬声器(采样率为65536 Hz)采集到的信号如图5 所示，将采集数据与图2(b)所示的逆滤波器进行卷积，最后得到的脉冲响应如图6 所示。图7表示使用Butterworth 脉冲激励扬声器(采样率为131072 Hz)采集到的信号。声压传感器和质点振速传感器在不同频率下的灵敏度值不一样，因此会导致声压通道采集的信号波形和质点振速通道采集到的波形不一致。

图5 声源为对数扫频脉冲，采集的声压信号和质点振速信号Fig.5 The sound source is logarithmic sweep pulse,and the collected sound pressure signal and particle vibration velocity signal

图6 卷积后得到的脉冲响应Fig.6 Impulse response after convolution

图7 声源为Butterworth 脉冲，采集的声压信号和质点振速信号Fig.7 The sound source is Butterworth pulse,and the collected sound pressure signal and particle vibration velocity signal

2.2 现场测试

在半消声室中进行现场测试，测试的吸声材料为1.2 cm 厚的毛毡，面积为1.2 m×1.2 m。测试过程中不改变功放和笔记本扬声器设置，Butterworth脉冲到达测试传声器的辐射声压级为80 dB，对数扫频脉冲到达测试传声器的辐射声压级为105 dB。在两种不同的背景噪声水平下进行测试：情况1，没有干扰噪声，毛毡表面测试传声器位置处的总声压级为40 dB；情况2，用额外的扬声器在距测试处约2 m 的位置发出干扰白噪声，如图8 所示，毛毡表面测试传声器位置处的总声压级为80 dB。测试时，扬声器垂直面对毛毡，矢量传声器紧贴毛毡表面，如图9所示。

图8 干扰声源摆放情况Fig.8 Arrangement of interference sound source

图9 测试示意图Fig.9 Test diagram

用不同的声源激励扬声器，获得脉冲的方法与2.1 节相同，不同声源在两种情况下获得的脉冲响应如图10、图11 所示。可以看出，两种情况下使用对数扫频脉冲测试获得的脉冲响应基本一致；使用Butterworth 脉冲测试得到的声压信号受到了情况2干扰噪声的影响。

图10 对数扫频脉冲现场测试Fig.10 Logarithmic sweep pulse field test

图11 Butterworth 脉冲现场测试采集的信号Fig.11 Signal collected by Butterworth pulse field test

2.3 吸声系数计算

为了减少反射物体对测试结果的影响，并减弱数据的突然截断造成的误差，本文使用半汉宁窗来截取脉冲响应[10]，如图12 所示。半汉宁窗的长度取决于脉冲的长度，要保证携带有用信息的脉冲部分不被处理，因此，使用4 ms 的半汉宁窗截取对数扫频脉冲在自由空间和现场测试得到的信号，使用3 ms 的半汉宁窗截取Butterworth脉冲在自由空间和现场测试得到的信号。

图12 数据处理使用的半汉宁窗Fig.12 Half-Hanning window used in data processing

将所有脉冲响应先插值重采样，提高频率分辨率，再经过傅里叶变换转换到频域进行分析，通过频域的声压和频域的质点振速来计算自由空间中空气的阻抗(Zff)和材料表面的阻抗(Zmeasure)，如图13、图14 所示。使用镜像源模型时，声源与表面距离越近，低于1.2 kHz 的结果误差就会越大[8]，以及综合考虑扬声器的频响和对数扫频脉冲的起始频率，测量的频率下限选择1000 Hz。对于现场测试的两种情况，使用对数扫频脉冲测试的阻抗几乎相同，背景噪声的影响较小；使用Butterworth脉冲测试的阻抗不一致，有误差出现。

图13 对数扫频脉冲测量阻抗Fig.13 Logarithmic sweep pulse measurement impedance

图14 Butterworth 脉冲测量阻抗Fig.14 Butterworth pulse measurement impedance

为保证传感器校准数据在比值Zmeasure/Zff中抵消，2.1节和2.2节的测试是相继进行的，功率放大器设置保持不变。根据公式(1)即可计算出使用两种脉冲和白噪声测试的吸声系数。本文的测试都是声源垂直入射矢量传声器，在B&K 驻波管里面测试垂直入射吸声系数，并与本文测试结果进行对比，结果如图15、图16、图17 所示。高频时，本文的测试条件接近于B&K 驻波管里面的平面波测试，因此两个结果较吻合。低频范围内存在误差，主要是由于两个测试条件不一致。从对比图可以看出，使用白噪声测试得到的吸声系数曲线波动大，不够光滑。在情况1 下Butterworth 脉冲和对数扫频脉冲测试的结果曲线光滑，说明使用脉冲声的测试方法减弱了周围环境反射的影响。在情况2 高背景噪声下Butterworth 脉冲的测试结果出现了误差，对数扫频脉冲的测试结果与情况1 基本一致，这种脉冲能量大，抗干扰噪声的能力更强，说明使用扫频脉冲的测试方法降低了背景噪声的影响。

图15 对数扫频脉冲测量的吸声系数Fig.15 Sound absorption coefficient measured by logarithmic sweep pulse

图16 Butterworth 脉冲测量的吸声系数Fig.16 Sound absorption coefficient measured by Butterworth pulse

图17 白噪声测量的吸声系数Fig.17 Absorption coefficient of white noise measurement

3 结论

本文介绍了一种使用脉冲声现场测试材料吸声系数的方法。扬声器发出脉冲声，矢量传声器接收到自由空间和现场测试环境下声压和质点振速信号，经过傅里叶变换将数据转换到频域分析，计算得到阻抗，进而求出吸声系数。这种方法有以下特点：(1) 测试使用的矢量传声器不用进行校准，测试结果不会受传声器校准误差的影响；(2) 使用Butterworth 脉冲和对数扫频脉冲进行测试可以有效降低周围环境反射的影响；(3) 对数扫频脉冲的抗噪能力更强，当测试有背景噪声时，使用对数扫频脉冲进行测试可以有效减少背景噪声的干扰。基于这些特点，本文的测试方法可以应用在例如船舱等环境反射多或是没有消声室条件的实际测试中。

本文采用的是一个单一的喇叭单元，没有加装后腔和箱体，存在声短路和低频不足的缺陷。文中采用的是镜像源模型，要求在测试距离内尽量接近点声源模型。在最开始设计手持结构的时候，对喇叭进行了各种封装。但是由于缺乏音箱设计的经验，喇叭封装之后，其频响发生了改变，远远偏离点声源模型。后续也选择了一些商用的音箱，经过测试后发现存在不满足点声源模型或其脉冲响应不适合测试的问题。对于后续工作，其重点就在于合理的设计声源，进一步提高测试精度，根据本文的实验经验给出以下建议：(1) 文中采用的是镜像源模型，要求声源的频响在测试距离内尽量接近点声源模型；(2) 鉴于是用于现场的手持式测试，建议声源体积不能太大，质量越小越好。