混响环境中声场重构的实验研究

王　潇，陈志敏，宋玉来，金江明，卢奂采*

(1.浙江工业大学 机械工程学院 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310014；2.海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033；3.嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴 314001；4.浙江省信号处理重点实验室，浙江 杭州 310014)



混响环境中声场重构的实验研究

王潇1，陈志敏2，宋玉来3，金江明4，卢奂采*1

(1.浙江工业大学 机械工程学院 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310014；2.海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033；3.嘉兴学院 机电工程学院，浙江 嘉兴 314001；4.浙江省信号处理重点实验室，浙江 杭州 310014)

针对混响环境非自由声场中声源测量的问题，本文以消声水池和混响水槽为实验环境，以换能器辐射的声场为研究对象，以水听器阵列为测量前端，进行了混响环境非自由声场中声源对象的测量、分析和重构的实验研究。通过单层水听器阵列对非自由声场进行声压分布测量，并对测量结果作声波分离处理，将分离前后的声压分布和在消声水池中测量的声压分布进行比较，给出了声源频率为5 000 Hz和7 000 Hz时，声场重构的误差分析结果。结果表明，基于单层水听器阵列声压测量的声波分离方法，能够较精确地对混响环境中的声场进行重构。

混响环境；单层水听器阵列；非自由声场；声波分离；声场重构

0　引言

混响水槽是很多实际物理环境的一个简化模型，所以对其中的非自由声场的研究将具有非常重要的意义。现有的一些关于自由声场重构的研究，多是基于近场声全息方法(Near field Acoustic Holography, NAH)[1-2]，NAH是通过靠近结构表面的传声器阵列，采集声源结构发出的包含倏逝波声信号，根据声场逆运算算法，重构出不受声波波长限制的高精度三维声学图像。

由于在非自由声场中，无法用NAH方法准确地重构出声压的分布，需要通过声波分离的方法来分离出目标声源辐射的声场。PACHNER[3]和WEINREICH et al[4]使用2个不同半径的同心球形传声器阵列进行声场分离，但都必须使用规则的共型球面传声器阵列；于飞 等[5]基于空间傅里叶变换，使用双层平面阵列分离出目标声源单独作用的声场分布。上面都是基于声压的NAH建立的方法，毕传兴 等[6]和FERNANDEZ-GRANDE et al[7]首先基于粒子振速的NAH，使用双层粒子速度测量面，后来又使用了单层声压-粒子速度测量面。同样，这些方法都使用了双声学量作为声场分离方法的输入量。宋玉来 等[8]提出一种基于单全息面声压测量的声波分离方法，只使用一个共形的声压测量面，通过声场逆运算的方法计算出来波和去波的系数，有效分离出目标声源辐射的声场，达到重构自由声场的目的。

本文针对混响水槽中的非自由声场环境，使用单层传声器阵列测量声压分布，运用单全息面声压测量的声波分离方法[8]，进行实验数据的分析和处理，最终重构出混响水槽中的目标声源辐射的声场分布。

1　混响水槽中非自由声场的测量实验

1.1测量系统

混响水槽的六面均为粗糙壁面，它的主要材质是PVC材料，尺寸为1.2 m×0.5 m×0.5 m(长×宽×高)。声源系统采用中心频率可达10 kHz的换能器，单层水听器阵列是自行设计的方形阵列，测点数为5×5，相邻测点间距为6 cm，其中水听器尺寸为25 mm×32 mm(直径×高度)，水听器的灵敏度为-199 dB，工作频率为50～10 kHz。数据采集系统是丹麦B & K公司的型号为PULSE Lan-XI的数据采集系统。具体的测量系统组成如图1所示。

1.2实验布置

将单层传声器阵列置于换能器和混响水槽的近槽壁之间，具体尺寸为：与换能器的固定距离d2=5 cm，距近槽壁的距离d1=30 cm(图2)。

图1　混响水槽中声场声压分布测量系统示意图Fig.1　Schematic diagram of sound pressure distributionmeasurement system in reverberation tank

消声水池中吸声尖劈的性能指标是信号频率>5 kHz时，吸声系数>0.9；消声水池的材料是有机玻璃，尺寸为1.5 m×1.2 m×1.2 m(长×宽×高)。水听器阵列与换能器的固定距离D2=5 cm，阵列位于水池的长边的中间位置，距两边池壁的距离D1=D3=75 cm(图3)。

图2　顶盖打开后混响水槽内部布置图Fig.2　Internal layout of reverberation tank when the roof was opened

图3　全消声水池中水听器阵列与换能器的布置图

2　测量结果分析与处理

根据单全息面声压测量的声波分离方法，混响声场中由换能器辐射的声场响应可由如下公式计算：

P′=TP

(1)

式中：P是一个25×1的列向量，由水听器阵列直接测量的声压值组成，该声压是由时域声压值转化到频域的复声压值；P′是进行声波分离计算后的25×1的列向量，为重构的水听器阵列面上仅由换能器辐射的复声压分布；T是25×25的传递矩阵，T的定义详见参考文献[8].

复声压计算过程如下：实验中使用的水听器阵列共25个测点，由pi(t)(i=1，2，…，25)表示。同时设置参考信号为pref(t)，从目标声源处获取。水听器测点处复声压的幅值，由该测点时域信号pi(t)的自功率谱密度函数(下面简称自谱)获得，相位由该测点时域信号与参考信号pref(t)的互功率谱密度函数(下面简称互谱)获得。每个水听器测点处复声压由下式表示：

Pi(ω)=pi(ω)ejθi(ω)

(2)

复声压的相位为：

(3)

本文中考查2个误差，第1个误差为：直接测量的换能器在混响水槽内的声场分布，与直接测量的换能器在消声水池内的声场分布的比较误差；第2个误差为：直接测量的换能器在混响水槽内的声场分布，经声波分离方法计算后，在混响水槽内的声场分布，与直接测量的换能器在消声水池内的声场分布的比较误差。误差的定义由二范数表示，即：

(4)

式中：Pmeas是消声水池内测得的换能器辐射的声场声压分布，P是混响水槽内直接测量得到的声场声压分布，或经过声波分离计算后得到的声场声压分布。

根据上述的实验布置和理论分析方法，在混响水槽内测量频率为5 000 Hz和7 000 Hz两个工况的实验数据，并使用声波分离方法对实验数据进行分析和处理，得到图4和图5的实验结果。

2.1声源频率为5 000 Hz

在此工况下，混响水槽中直接测量的声压云图如图4a所示，分离后的声压云图如图4b所示。混响水槽中直接测量的声场分布与在消声水池中直接测量的声场分布的误差为34.3%，分离后混响水槽中的声场分布与在消声水池中直接测量的声场分布的误差为15.0%，说明声波分离后声场重构的精度得到显著提高。同时观察声压分布云图发现，直接测量的声压云图受混响环境噪声的干扰严重，而声波分离后的声压云图减少了混响环境噪声的影响，能较准确地反映出目标声源单独作用的声场分布。

图4　混响水槽中声源频率为5 000 Hz时的实验结果Fig.4　The experiment results of sound pressure distribution in reverberation tank when the source frequency was 5 000 Hz

图5　混响水槽中声源频率为7 000 Hz时的实验结果Fig.5　The experiment results of sound pressure distribution in reverberation tank when the source frequency was 7 000 Hz

2.2声源频率为7 000 Hz

在此工况下，混响水槽中直接测量的声压云图如图5a所示，分离后的声压云图如图5b所示。混响水槽中直接测量的声场分布与在消声水池中直接测量的声场分布的误差为34.4%，分离后混响水槽中的声场分布与在消声水池中直接测量的声场分布的误差为12.3%，表明声波分离后声场重构的精度得到较大提高。观察声压分布云图发现，声波分离后的声压云图受混响环境噪声的影响变小。同时，比较图4b和图5b发现，7 000 Hz时声波分离后声压云图的精度比5 000 Hz时声波分离后声压云图的精度稍高，这是由于在7 000 Hz时，声波的波长较短，能被水听器阵列采集到一个完整的波长信息，故声场重构的精度较高。

3　小结

本文验证了单全息面声压测量的声波分离方法适用于水下混响环境的非自由声场。由实验结果可知，当目标声源的频率为5 000 Hz时，混响水槽中的声场通过单全息面声压测量的声波分离方法处理后，声场重构的精度误差降低了19.3%；同样，当目标声源的频率为7 000 Hz时，经过单全息面声压测量的声波分离方法处理后，混响水槽中声场重构的精度误差降低了22.1%。以上2个工况说明了单全息面声压测量的声波分离方法能有效地抑制混响环境噪声的影响。

[1] WILLIAMS E G, MAYNARD J D, SKUDRZYK E. Sound reconstruction using a microphone array[J]. J Acoust Soc Am,1980,68(1):340-344.

[2] WILLIAMS E G, MAYNARD J D. Holographic imaging without wavelength resolution limit[J]. Phys Rev Letts,1980,45(7):554-557.

[3] PACHNER J. Investigation of scalar wave fields by means of instantaneous directivity patterns [J]. J Acoust Soc Am,1956,28(1):90-92.

[4] WEINREICH G, ARNOLD E B. Method for measuring acoustic radiation fields [J]. J Acoust Soc Am,1980,68(2):404-411.

[5] YU Fei, CHEN Jian, CHEN Xin-zhao. Sound field separation technique with double holographic planes and its applications in acoustic holography[J]. Acta Acustica,2003,28(5):385-389.

于飞,陈剑,陈心昭.双全息面分离声场技术及其在声全息中的应用[J].声学学报,2003,28(5):385-389.

[6] BI Chuan-xing, ZHANG Yong-bin, XU Liang, et al. Sound field separation technique using double layer particle velocity measurements[J]. Acta Acustica,2010,35(6):653-658.

毕传兴,张永斌,徐亮,等．基于双面质点振速测量的声场分离技术[J].声学学报,2010,35(6):653-658.

[7] FERNANDEZ-GRANDE E, JACOBSEN F. Sound field separation with a double layer velocity transducer array [J]. J Acoust Soc Am,2011,130(1):5-8.

[8] SONG Yu-lai, LU Huan-cai, JIN Jiang-ming. Sound wave separation method based on spatial signals resampling with single layer microphone array[J]. Acta Phys Sin,2014,63(19):194305.

宋玉来，卢奂采，金江明.单层传声器阵列信号空间重采样的声波分离方法[J].物理学报,2014,63(19):194305.

Experimental study of sound field reconstruction in reverberation environment

WANG Xiao1, CHEN Zhi-min2, SONG Yu-lai3, JIN Jiang-ming4, LU Huan-cai*1

(1.KeyLaboratoryofE&M,MinistryofEducation&ZhejiangProvince,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China; 2.CollegeofPowerEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China; 3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing314001,China; 4.KeyLaboratoryofSignalProcessingofZhejiangProvince,Hangzhou310014,China)

In order to solve the sound source measurement problem in the non-free sound field of reverberation environment, a method of sound field reconstruction was presented. In this method, we took measurement, analysis and reconstruction of the sound source. We chose the anechoic tank and reverberation tank as the experimental environment, the transducer as the simulation object, the hydrophone array as the frontend measurer. By using the single layer hydrophone array, the sound pressure distribution of non-free sound field was measured. Sound wave separation was conducted for the measurement results. The sound pressure distributions before and after the sound wave separation were respectively compared with those in the anechoic tank. At last we calculated the errors of sound field reconstruction. The sound field reconstruction errors were presented when the source frequencies were 5 000 Hz and 7 000 Hz. The results show that this sound wave separation method based on sound pressure measured by the single layer hydrophone array can reconstruct the sound field in reverberation environment accurately.

reverberation environment; signal hydrophone array; non-free sound field; sound wave separation; sound field reconstruction

2016-01-18

2016-04-03

王潇(1987-)，男，江苏泰兴市人，主要从事水声信号处理方面的研究。E-mail:wangxiao_svlab@163.com

卢奂采(1962-)，女，教授，主要从事声学、振动与高端装备噪声控制的研究。E-mail:huancailu@zjut.edu.cn

O422.2

A

1001-909X(2016)03-0086-05

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.014

王潇，陈志敏，宋玉来，等.混响环境中声场重构的实验研究[J].海洋学研究,2016,34(3):86-90,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.014.

WANG Xiao, CHEN Zhi-min, SONG Yu-lai，et al. Experimental study of sound field reconstruction in reverberation environment[J].Journal of Marine Sciences,2016,34(3):86-90, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.014.