基于Matlab的通风声学器件性能测试平台

摘要：声波是信息与能量的重要载体，声波测量在结构探测、地震监测、材料特性研究等领域有着广泛应用，随着新型声学器件的推广，搭建可测量其性能的新型声学测试平台是声学器件设计的一个重要环节。本文介绍了一种基于Matlab开发的通风声学器件性能测试平台，可控制电机携带麦克风扫场，应用软件对声波进行滤波降噪、空间定位、角度计算等处理，实现通风声学器件性能的高精度可控测量。

关键词：声学平台；性能测试；声强；角度计算

Abstract：Soundwavesareanimportantcarrierofinformationandenergy.Acousticmeasurementiswidelyusedinfieldssuchasstructuraldetection，seismicmonitoring，andmaterialpropertiesresearch.Withthepromotionofnewacousticdevices，buildinganewacoustictestingplatformthatcanmeasuretheirperformanceisanimportantpartofacousticdevicedesign.ThisarticleintroducedaperformancetestingplatformforventilationacousticdevicesdevelopedbasedonMatlab.Itcouldcontrolthemotorcarryingthemicrophonetosweepthefield，andrealizedthesoundwavenoisereduction，spatialpositioning，anglecalculationandotherprocessingbysoftware，achievinghighprecisionandcontrollablemeasurementofventilationacousticdeviceperformance.

Keywords：Acousticplatform；Performancetesting；Soundintensity；Anglecalculation

1概述

作为现代科学的重要分支，声学是研究声波（弹性波）的产生、传播与探测的一门科学，它不仅与航空航天、国防、医疗等领域密切相关，也与我们的生活密不可分。人工声学超材料的出现极大地发展了声学材料，一系列新颖的声学功能和现象得以实现，如声学负折射、声隐身、声学亚波长成像、声学全息、声学完美吸收等，这对声学测试技术提出了更高的要求。声波经过声学结构或声学材料的反射与透射性能的测试是验证所设计结构与材料功能的重要手段，在声学研究中占有重要地位。然而，由于声波在空间中易消散的物理特性，准确测量声波通过器件后的声强、角度和相位等信息成为一大难题。

本文介绍了一种基于Matlab的电动扫场声学器件性能测量装置，可以实现大角度范围内快速测量声波通过器件后的声强和相位分布，实验测量装置适用于大多数阵列型声学器件，对于多种不同类型的声学器件具有测量普适性。

2实验装置

硬件装置设计如图1所示，主要包含上位机、采集控制模块、电动扫场模块、声源和声波检测处理模块。上位机为电脑，电动扫场模块由驱动器、电机、滑动平台组成，声源和声波检测处理模块包含信号发生器、喇叭阵列和声波探头等。

上位机通过通信接口发送指令，指令内容包括扫描速度、扫描坐标、扫描点数等参数，Matlab程序控制单元执行指令解析、电机控制和声波激发等任务，滑动平台两侧装有霍尔传感器用于限定平台的最大扫场范围和定位平台坐标原点，电机控制单元接收程序指令控制电机运转。扫场平台控制软件整体设计如图2所示。

为了克服声波在三维空间中传播方向不确定、自由空间中消散快的问题，测试装置使用两块厚底大于5mm的透明亚克力板覆盖装置的上下两面，形成狭小的空间，抑制声波在空间中的传播范围，从而解决声波在三维空间消散速度快的问题，实物装置如图3所示。

3声场特性测试

声场测试中，常用的声源有点声源和平面波声源两种，点声源设计只需要采用单喇叭即可，但平面声波设计比较复杂。本文采用喇叭阵列形成面声源，多个喇叭在同一高度排列，达到一定长度，从而每个喇叭发出的声强在空间卷积形成高斯波束，使大部分声波能量聚集在一定范围内。由于形成了高斯波束，入射声波的入射角就可以确定，可以实现控制声波传播方向的目的。在声波出射的方向，只要寻找到声强最大的位置，即高斯波束的位置，便可以知道通过声学器件之后声波角度信息。

3.1角度计算原理

由于入射声波为高斯波束，能量集中，且装置设定使入射波束的中心点恰好入射至测量器件的几何中点。假设电机带动滑台扫场一次所需要的时间为T，电动机受限于出场转速设定，带动麦克风以速度v匀速运动，麦克风与器件之间的距离xd恒定，电机扫场距离d恒定。正是因为高斯波束入射，出射声波也应为高斯波束。

设计Matlab程序寻找短时能量最大的点，以最大点为起点，前后搜索短时能量偏离平均值的点，当差值大于一定阈值时，则检测出前后端点，停止寻找。假设所识别出的高斯波束开始与结束的时间分别为t1和t2，可以推导得到高斯波束的中央位置时间为：

t=t1+t22（1）

滑台匀速运动，运动时间为T/2时恰好运动到器件的几何中点处，高斯波束中心位置距离声学器件几何中心的距离xs即为：

xs=v·T-（t1+t2）2（2）

假设入射波的入射角为α，通过声学器件后对应的出射角为θ。

根据xs、xd、θ之间的几何关系，可以推导得到：

tanθ=xsxd=v［T-（t1+t2）］2xd（3）

于是，就可以得到出射角：

θ=tanθ-1v［T-（t1+t2）］2xd（4）

设程序根据理论计算出的相应的折射角为β，百分不确定度S就等于

S=β-θβ×100%（5）

根据以上运算思路，程序便可输出对应入射角的出射角θ，理论值β、百分不确定度S。

3.2Matlab声音信号处理

电机滑台带动麦克风沿一定方向运行，从一端移动到另一端即完成一次扫场工作，与此同时，麦克风采集声音可实现一次扫场的音频录制，记录下扫场各点的声强。

麦克风采集的声音信号包含大量影响实验结果的噪声，需要进行降噪处理，这里应用Matlab对声音信号进行加窗、分帧、滤波等方法进行处理。首先，画出横轴为采样点、纵轴为幅度的时域图，对其进行FFT变换，得到频域分布图像，如图6所示，频域图可以看出有两个峰值，一个是声源4000Hz的信号，另一个则表面在低频500Hz附近有较大噪声。

对声信号进行FIRBartlet高通滤波，去除低频噪声，滤波后信号如图7所示。滤波后声信号明显去除了毛刺，并且500Hz附近的噪声被滤除。

进一步把采样点转化为时间，将幅度转化为声的能量分布，并且将声信号的峰找出来，标出起始点和终点位置（如图8所示），可以得到峰的起始时刻为t1，峰的终点时刻为t2。

根据起始点和终点，以及麦克风至复杂结构的距离，可以推导出衍射角的大小，并将入射和透射声方向的示意图用Matlab画出，如图9所示，中间竖线为所设计的结构，左侧为入射波，右侧为透射波。

结语

本文介绍了一种基于Matlab的声学器件性能测试平台，应用电动扫场携带麦克风的方式采集空间中的声信号，经过Matlab滤波降噪、空间定位和角度计算等处理，可以大角度范围内完成声波通过器件后的声强和相位分布的快速测量。在实际项目应用中可根据应用环境要求，可视化地显示入射与透射角度等，测试平台灵活可调，适用性强。

参考文献：

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基金项目：本文系苏州大学大学生课外学术科研基金项目（项目编号：KY2023052A）及苏州大学高等教育教改研究课题“电磁学实验教学中创新型人才培养的改革与实践”（项目编号：202338）研究成果

作者简介：韩振宇（2003—），男，汉族，浙江杭州人，本科，研究方向：物理学。

*通讯作者：刘波（1994—），男，汉族，山东济南人，硕士，助理实验师，研究方向：大学物理实验教学。