修正声强测量系统设计及实验验证

陆益民，纪明祥，陈　品，李志远

（合肥工业大学噪声振动研究所，安徽 合肥 230009）

修正声强测量系统设计及实验验证

陆益民，纪明祥，陈品，李志远

（合肥工业大学噪声振动研究所，安徽 合肥 230009）

传统的声强测量系统价格昂贵，有限差分的存在使得测试频域受到探头间距的限制，宽频噪声需分段多次测量。根据互谱声强算法，利用采集卡、传声器和虚拟仪器技术开发出一套便捷、高效、低成本的声强测量系统，包括数据采集、系统声压灵敏度标定、相位失配标定和声强测量。针对算法中存在的有限差分误差进行修正，在半消声室中以宽带白噪声为声源，用开发的声强测量系统分析探头间距为20mm和50mm时探头轴线和声源传播方向夹角分别为0°、45°的修正前后声强误差。结果表明该声强测量系统有效，修正后同一探头间距测试频域得到拓展，声强准确度得到提升。

声强测量系统；修正声强；有限差分；误差分析

0　引　言

声强具有方向性的优势在现代声学测量中得到体现，声强测量不需要特定的消声室或半消声室，随着声强技术和测试软硬件的发展，声强测量已广泛应用于声功率测试［1］、噪声源识别［2］、声场特性分析［3］等方面，国内也用声强技术解决了大型电器设备的声学测量难题［4-5］。声强技术的应用离不开高准确度的测试系统，做得比较好的有丹麦B&K、日本ONO SKKI、丹麦G.R.A.S，目前比较先进且用得最多的有B&K Pulse 3560、爱华AWA6290S及合肥工大自主设计的数字式声强探头的测试系统［6］。但是这些设备造价昂贵且测试准确度受到相位失配误差尤其是有限差分误差［7］的限制，它的误差导致特定探头间距只能测试特定的声源频域，对于宽带声源则需要分频段多次测量。本文采用修正算法运用虚拟仪器技术开发出一套便携高效、准确度高、低成本的声强测量系统，并以点声源为例，在半消声室中对测量系统误差测试分析，验证本声强测量系统的有效性，并考虑不同探头间距时探头轴线与声源传播方向不同的夹角，验证修正方法的有效性。

1　修正声强测量原理

互谱声强探头是用两个相距为d的传声器A和B组成，用探头平均声压代替探头中点声压，以声压的一阶差分代替方向的声压梯度，早在1977年 F.J.Fahy给出了互谱声强的理论计算［8］：

式中：ρ——介质密度，空气中为1.29kg/m3；

d——传声器间距；

ω——圆频率；

Im［GAB（ω）］——A和B声压信号修正互功率谱的虚部。

现在将上式作分解如下：

式中：pA（ω），pB（ω）——传声器A和B的声压幅值谱；

φA（ω），φB（ω）——传声器A和B的相位谱。

对于平面波和点声源，时均声强的理论计算公式如下：

式中：pe（ω）——测点声压幅值谱；

k（ω）——波数谱；

θ——探头轴线与声源传播方向的夹角。

对于平面波和点声源的远场，由式（2）和式（3）得到互谱声强实测相对误差为

文献［9］通过对有限差分误差原理分析，通过数值仿真，给出了考虑声强探头轴线和声源传播方向不一致的情况时，有限差分误差的修正公式：

根据式（2）得到修正声强算法：

式中：Abs［GAB（ω）］——A、B声压互谱幅值谱；

Angle［GAB（ω）］——A、B声压互谱相位谱。

则修正后的残余实测误差为

2　声强测量系统

本文以LabVIEW为平台［10］，利用NI9234集成采集卡和普通的电容传声器开发了一套声强测量系统，并对声强算法方面进行了修正，系统测试流程如图1所示。

图1　声强测量系统测试流程

2.1参数设计及信号采集模块

采集系统采用生产者与消费者模式，保证数据不会丢失，在CPU频率足够的情况下实现信号的实时采集，这个部分主要包括采集卡选择与参数设置、系统声压灵敏度设置、采样参数设置和数据保存。系统声压灵敏度需要校准，采用活塞发生器发出1000Hz、94dB的声波来校准。

标定原理如下式：

式中：LAnew——新的声压转换常数；

LAold——旧的声压转换常数；

LA——旧声压转换常数下的声源声压级；

LS——标准声源声压级。

2.2相位失配误差标定模块

声强测量中两个通道相位不匹配是声强测量误差的主要来源之一，尤其是对低频声源的影响较大，组成声强探头的两个传声器最好能高度匹配，在测试之前应该对这种相位失配进行标定。本系统采用传递函数法［11］标定和修正相位失配，即让两个通道接受同一信号源，通过计算两个通道的传递函数相位谱来获得相位失配，标定原理为

式中：hAB——通道传递函数；

hA，hB——两通道的频响；

p——声源复声压；

PA，PB——通道A、B实测声压谱；

HAB——实测两通道传递函数。

相位失配修正原理为

式中：GAB——修正互谱；

在同一声场下，两通道之间的传递函数等于实测声压的传递函数，主要根据式（9）和式（10）就可以由两个通道的实测声压得到修正互谱值。

2.3声强测量模块

运用互谱声强公式给出声强测试模块，这部分包括：修正前后的声强谱和声强级谱、1/3倍频程、频域计权。频域计权主要有A计权和线性计权。1/3倍频程采用频带划分，能量叠加的方法来计算，并对边界频率处采用线性插值法划分能量，声强修正包括相位失配误差修正和有限差分误差修正，修正前后声强算法在LabVIEW中的实现过程如图2、图3所示。

图2　互谱声强算法流程

图3　修正互谱声强算法流程

3　验证试验

为了验证声强测量系统和修正方法的有效性，以白噪声形式的点声源为例在半消声室中进行测试实验，反射面为刚性玻璃，吸声系数为0.01，吸声面为吸声棉，吸声系数为0.995，有效测试空间尺寸为8.5 m×7.6 m×5.5 m，不开空调时的背景噪声＜11 dB。用Matlab信号发生器发出的均匀白噪声连接扬声器做声源，此声源不产生相干场，将其安放在反射面的几何中心上，声源特征尺寸为0.1 m，声学中心距离反射面0.05 m，按照国标GB/T 6882——2008［12］，声强探头距离声源1m。采集卡为4通道的NI 9234，这种便携式的测量设备内部电路中包含了放大衰减和滤波部分，并且有内置恒流源，由IEPE开关控制，NI 9234具有102dB的动态范围、4通道、24位分辨率、采样率可达51.2 kHz，声强探头由两个普通的1/2英寸传声器YG-201组成，通道A、B的灵敏度分别为43.6，45.5 mV/Pa，校准后声压级误差＜0.05 dB。测试探头间距分别为20，50mm，每种间距分别测试探头轴线与声源传播方向夹角0°和45°两种工况。

两个通道间相位失配采用文献［13］给出的现场标定方法进行修正，在实测的噪声环境下，将两个探头对接，使其接受统一声源信号，计算他们的传递函数得到相位失配值，相位失配标定及修正后相位差结果如图4所示。

图4　通道相位失配误差标定

此探头的相位失配误差主要出现在高频部分，经修正后在20～10 000 Hz范围内误差均＜0.3°，满足声强测试的探头要求。

测得测点的声压级，由式（3）算得其声强级真值，根据式（1）和式（6）分别测得修正前后的声强级，通过对比声强修正前后的误差来判断本测量系统和修正方法的有效性，实测误差谱结果如图5所示。

图5　声强级误差图

图5表明在以±1dB误差为参考，修正前的声强测量误差满足测试要求，并且20 mm间距在夹角为0°时，修正前的可测范围为250～2 500 Hz，修正后的可测范围为250～8000Hz；20mm间距在夹角为45°时，修正前的可测范围为250～4000Hz，修正后的可测范围250～10 000 Hz；50 mm间距在夹角为0°时，在修正前的可测范围为250～1000Hz，修正后的可测范围为250～2500Hz；50mm间距在夹角为45°时，修正前的可测范围为250～1600Hz，修正后的可测频域范围为250～4000Hz。

250 Hz以下频带的误差超出1 dB并非是由修正前后测量系统引起，而是受声场干扰、测试距离、相位失配误差修正不完全等因素，导致实测声场中低频部分点声源场理想程度不如高频部分，此时低频的声强真值用式（3）计算并不可靠，故本测量实验在小于250Hz的低频内表现出来的误差要大于1 dB，这一频段将不作参考。如果能够配以相位高度匹配的传声器对并且使用足够精度的校准方法时，低频误差可以得到修正，使系统能在非常低的频带下依然达到测试要求。

表1　修正前后总声强级误差

表1给出了互谱声强修正前后的总声强级误差，以修正前标准的可测频带作分析，结果表明，修正前后的总声强级误差均小于1dB，修正后的声强级有更高的准确度；以修正后拓展的可测频带作分析，结果表明，在修正前总声强级误差已经超出1dB的范围，而修正后的总声强级误差依然保持在1dB以内，并且拥有很高的准确度。

4　结束语

基于虚拟仪器的声强测量系统，利用普通传声器和集成采集卡可将误差控制在1dB以内，满足一般的工程试验要求，可以运用于噪声源识别和声功率测量。利用半消声室模拟点声源法验证互谱声强修正方法的有效性，修正后的测量系统有更高的测量准确度和更宽的测试频域。在测试宽频带噪声源时，一般声强系统需要分频段用不同的间距多次测量，而利用本系统修正声强测试部分，选择合适的探头间距，选用相位高度匹配的探头或者对相位失配精确的校准，可一次测得声源声强谱，提高测试效率。

［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］李志远，陈慧，陈品，等.大型设备的声功率级声强测试方法［J］.振动、测试与诊断，2013，33（2）：311-314.

［5］黄国兴，李志远，陆益民，等.基于声强法的电力电容器噪声的测试与分析 ［J］.组合机床与自动化加工技术，2014（2）：72-74.

［6］陈品.基于数字式声强探头的测试系统研究与误差分析［D］.合肥：合肥工业大学，2012.

［7］蒋孝煜，连小珉.声强技术及其在汽车工程中的应用［M］.北京：清华大学出版社，2001：236.

［8］FAHY F J.Measurement of acoustic intensity using the cross-spectral densityof two microphone signal［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，1977，62（4）：1057-1059.

［9］陆益民.互谱声强测量误差分析及修正方法研究［D］.合肥：合肥工业大学，2008.

［10］张金.LabVIEW程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2015：23-40.

［11］陈心昭，刘正士，陈晓东，等.传递函数法修正声强测量系统相位不匹配误差的研究［J］.仪器仪表学报，1994，15（4）：405-409.

［12］声学-声压法测定噪声源声功率级-消声室和半消声室精密法：GB/T 6882—2008［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［13］甘长胜，陈心昭，许滨.现场修正声强测量系统相位失配误差方法研究［J］.合肥工业大学学报，1998，21（3）：1-6.

（编辑：李刚）

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

陆益民（1972-），男，安徽合肥市人，副教授，博士，研究方向为噪声与振动控制。