兩種用于聲學(xué)縮尺模型的聲源研制

王芳瑩，張三明

兩種用于聲學(xué)縮尺模型的聲源研制

王芳瑩，張三明

(浙江大學(xué)建筑技術(shù)所，浙江杭州 310058)

理想的聲學(xué)縮尺模型測(cè)試用小型無指向性聲源，需要具備以下條件：足夠小的線度、無指向性輻射、較為平直的高頻頻率響應(yīng)以及足夠高的測(cè)試信噪比，并且能穩(wěn)定地重復(fù)發(fā)出受控信號(hào)。設(shè)計(jì)制作了兩種線度小于15 mm的小型無指向性聲源：導(dǎo)管式點(diǎn)聲源和六面體聲源，并在簡(jiǎn)易消聲室內(nèi)測(cè)試了其各自的指向性與高頻頻率響應(yīng)。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于1:10的縮尺比例，兩種小型無指向性聲源的測(cè)試信噪比都能達(dá)到35 dB以上，無指向性輻射均滿足《JJF 1468-2014 無指向性聲源校準(zhǔn)規(guī)范》要求。導(dǎo)管式點(diǎn)聲源的高頻頻率響應(yīng)更為平直，但小型六面體聲源在額定功率下具有更高的信噪比。兩種聲源均可用于建筑聲學(xué)縮尺模型試驗(yàn)。

無指向性聲源；頻率響應(yīng)；縮尺模型；聲學(xué)試驗(yàn)

0 引言

對(duì)縮尺模型所用的聲源有4方面的要求：(1) 具有足夠小的線度，避免對(duì)測(cè)試聲場(chǎng)產(chǎn)生干擾；(2) 具有無指向性輻射；(3) 要能產(chǎn)生滿足試驗(yàn)需求的高頻信號(hào)，且在測(cè)試頻率范圍具有較平直的頻譜特性；(4) 要有足夠的聲壓級(jí)，以獲得所需信噪比[2]。

現(xiàn)有的廳堂聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)中常用的聲源主要包括：十二面體球聲源、電火花發(fā)生器、發(fā)令槍、氣球爆破等。考慮到線度問題，目前縮尺模型試驗(yàn)最常用的聲源為電火花發(fā)生器，其缺點(diǎn)為重復(fù)性差，只能發(fā)出脈沖聲，不能發(fā)出受控信號(hào)。因此，研制能穩(wěn)定發(fā)出受控信號(hào)的、適用于聲學(xué)縮尺模型試驗(yàn)的小型無指向性高頻聲源，對(duì)建筑聲學(xué)試驗(yàn)研究具有重要意義。

1 導(dǎo)管式點(diǎn)聲源

1.1 導(dǎo)管式點(diǎn)聲源結(jié)構(gòu)

本文導(dǎo)管式點(diǎn)聲源是將一個(gè)10 cm的高頻揚(yáng)聲器單元固定在邊長(zhǎng)10 cm左右的密度板方盒內(nèi)，揚(yáng)聲器阻抗8 Ω，額定功率40 w，盒子壁厚1 cm，內(nèi)部填充麻絲吸聲棉。在固定揚(yáng)聲器的盒子壁中部開一個(gè)直徑4 mm的圓形小孔，插入一根外徑4 mm，壁厚0.5 mm的不銹鋼中空導(dǎo)管，導(dǎo)管式聲源的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。揚(yáng)聲器引線從盒子側(cè)壁另開小孔傳出。所有的孔隙和拼縫均用防火泥填充，外貼橡膠隔聲膠帶，以提高盒子整體的隔聲性能，導(dǎo)管式聲源的實(shí)物照片如圖2所示。

圖1 導(dǎo)管式點(diǎn)聲源結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

圖2 導(dǎo)管式點(diǎn)聲源實(shí)物照片

1.2 聲波導(dǎo)管管徑的選擇

這就表示，對(duì)于內(nèi)半徑已知的剛性壁聲管，可以確定其截止頻率，那么只要聲源(非極軸對(duì)稱振動(dòng))的工作頻率比它低，在管中就能產(chǎn)生唯一的平面波。例如，對(duì)于20 kHz的聲波，若要保證管內(nèi)有較為純凈的平面聲場(chǎng)，管內(nèi)半徑不應(yīng)大于4.9 mm。

但是，管子比較細(xì)并且聲源頻率比較高時(shí)，管壁對(duì)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不可忽略的粘滯阻力，這種影響將引起聲傳播過程中的熱損耗，通常用表示聲波衰減系數(shù)(或稱細(xì)管粘滯吸收系數(shù))，越大聲波隨傳播距離衰減得越快[3]，其公式可表示為

從式(2)中可以看出，管子越細(xì)或者頻率越高，這種由粘滯產(chǎn)生的吸收效應(yīng)就越顯著，聲音在管子中傳播時(shí)產(chǎn)生的衰減也越大。因此，在選擇管徑尺寸時(shí)，應(yīng)綜合考慮同時(shí)滿足有足夠高的截止頻率和管口有效聲壓級(jí)兩個(gè)條件。因縮尺模型試驗(yàn)所用聲源頻率通常達(dá)到20 kHz及以上，本次導(dǎo)管式點(diǎn)聲源在滿足管口有效聲壓級(jí)大于55 dB的前提下，選用了內(nèi)徑3 mm的細(xì)管。

2 小型六面體聲源

現(xiàn)有的多面體揚(yáng)聲器是根據(jù)“理想點(diǎn)聲源”的聲學(xué)特性設(shè)計(jì)而成，模仿點(diǎn)聲源對(duì)各方向輻射聲音能力相同的特征(即等聲壓級(jí)面為一球面)。目前在廳堂聲學(xué)測(cè)量中應(yīng)用較多的十二面體球聲源，直徑通常在300～400 mm，由于其線度太大，所以不適用于縮尺模型測(cè)量。日本的TAKAYUKI H[4]等和國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)的莫方朔等[5]曾參考普通十二面體聲源分別設(shè)計(jì)制作了小型十二面體和六面體無指向性聲源，但由于市面上并無實(shí)物，因此，本文根據(jù)相同的原理制作了小型六面體聲源，并對(duì)其聲學(xué)特性進(jìn)行研究。

2.1 小型六面體聲源結(jié)構(gòu)

本文六面體聲源由6個(gè)直徑8 mm的同型號(hào)動(dòng)圈式耳機(jī)揚(yáng)聲器并聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。單只揚(yáng)聲器的額定阻抗為28 Ω，額定功率為60 mW。六個(gè)揚(yáng)聲器分別固定在邊長(zhǎng)為14 mm的正方形木質(zhì)箱體的六個(gè)表面正中開口上，揚(yáng)聲器引線均從正方體一角開口穿出，并用熱縮管固定成一束，其實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 小型六面體聲源結(jié)構(gòu)示意圖

圖4小型六面體聲源實(shí)物照片

2.2 聲源線度的確定

對(duì)于1:10的縮尺模型，通常要求測(cè)量到中心頻率20 kHz的倍頻程(或1/3倍頻程)，這對(duì)應(yīng)實(shí)際廳堂聲學(xué)測(cè)量中的2 000 Hz。因此，小型六面體聲源線度至少應(yīng)小于20 kHz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，即17 mm，且邊長(zhǎng)越小越好。在滿足揚(yáng)聲器可牢固安裝的前提下，小型六面體聲源邊長(zhǎng)最終取14 mm。

3 頻率響應(yīng)與指向性測(cè)試

3.1 粉紅噪聲信號(hào)處理

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9396-1996及GB/T 6882- 2008，揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)和指向性的測(cè)量信號(hào)應(yīng)使用粉紅噪聲。粉紅噪聲是一種具有連續(xù)譜的無規(guī)聲，其功率譜密度與頻率成反比，在等比例帶寬中能量相等，在線性坐標(biāo)中以每倍頻程-3 dB斜率下降[5]。粉紅噪聲低頻成分較多，然而1 000 Hz以下(在1:10縮尺模型中對(duì)應(yīng)100 Hz以下)頻率對(duì)于縮尺模型試驗(yàn)并無重要作用。考慮到小型揚(yáng)聲器功率有限，為了提高聲源信號(hào)的利用效率，在本次測(cè)量中，使用CoolEditPro軟件的圖形均衡濾波器調(diào)整粉紅噪聲中1 000 Hz以下的增益為-70 dB，使得信號(hào)能量主要集中在1 000 Hz及以上部分如圖6所示。下文簡(jiǎn)稱處理后的粉紅噪聲為“高頻粉噪”。

圖6 調(diào)整前后粉紅噪聲頻譜對(duì)比

3.2 頻率響應(yīng)

揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)是指在自由場(chǎng)或半空間自由場(chǎng)條件下，相對(duì)于參考軸和參考點(diǎn)的指定位置，以規(guī)定的恒定電壓測(cè)得的作為頻率函數(shù)的聲壓級(jí)。本次測(cè)量在浙江大學(xué)建筑技術(shù)所的半消聲室內(nèi)進(jìn)行，地面鋪設(shè)10 cm厚的麻絲吸聲棉，以減少地面反射，測(cè)點(diǎn)距離揚(yáng)聲器中心50 cm，測(cè)量3次取平均值。使用筆記本電腦通過B&K 2706功率放大器連接待測(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出高頻粉紅噪聲，用B&K 2270聲級(jí)計(jì)接收信號(hào)，最后導(dǎo)入筆記本電腦進(jìn)行FFT分析計(jì)算(見圖7)，得到揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)(見圖8)。

圖7 頻率響應(yīng)測(cè)量原理圖

圖8 兩個(gè)點(diǎn)聲源的頻率響應(yīng)圖

對(duì)于導(dǎo)管式點(diǎn)聲源，1.25～2.5 kHz的聲壓幅值高于55 dB；2.5～10 kHz的聲壓幅值在53 dB左右，但出現(xiàn)多個(gè)峰值，這是由于揚(yáng)聲器振動(dòng)板的阻尼不足而造成的線性失真[7]。在頻率10 kHz后聲壓幅值呈明顯下降趨勢(shì)，一方面，是由于揚(yáng)聲器在高頻時(shí)其振動(dòng)板的有效振動(dòng)面積隨頻率的升高而減小，有效的輻射阻抗因此下降，導(dǎo)致輻射出的聲功率下降[7]；另一方面是由于細(xì)管的粘滯阻力隨頻率增大，產(chǎn)生了能量損失。

對(duì)于小型六面體聲源，在1.25～4kHz頻率范圍內(nèi)，頻響曲線隨著頻率的提高呈上升趨勢(shì)，之后隨頻率的升高而下降，十分符合耳機(jī)用微型揚(yáng)聲器單元的頻率曲線特征[7]。

從測(cè)得的結(jié)果可以看出，小型六面體聲源在1.25～20 kHz頻率有效范圍內(nèi)，總體較為平緩，聲壓級(jí)在58 dB左右，基本符合縮尺模型測(cè)量的需求。

3.3 指向性

揚(yáng)聲器的指向性是指揚(yáng)聲器輻射的聲壓隨方向不同而變化的特性，它反映了揚(yáng)聲器在不同方向上的聲輻射能力[3]。以dB表示的聲源指向性指數(shù)根據(jù)測(cè)量值由式(4)表示：

本文的平面指向性研究主要對(duì)揚(yáng)聲器在水平面和兩個(gè)相互垂直的豎直面上的指向性進(jìn)行分析，并以極坐標(biāo)圖形表達(dá)。指向性測(cè)試在浙江大學(xué)建筑物理試驗(yàn)室半消聲室內(nèi)進(jìn)行，地面鋪設(shè)10 cm厚麻絲吸聲棉。以揚(yáng)聲器中心為球心，半徑為50 cm的球面上選取包含對(duì)稱軸且相互垂直的3個(gè)平面，每個(gè)平面上每隔15°進(jìn)行一次測(cè)量，共計(jì)66個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖9、表1所示。表1、圖9僅標(biāo)注部分測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度，用于圖10方向定位。使用筆記本電腦通過B&K 2706功率放大器連接待測(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出高頻粉紅噪聲，用B&K2270聲級(jí)計(jì)及1/3信頻程頻率分析儀接收信號(hào)，最后導(dǎo)入筆記本電腦分析計(jì)算中心頻率標(biāo)稱值范圍1.25～20 KHz的1/3倍頻帶聲壓級(jí)，并選取4個(gè)具有代表性的中心頻率繪制揚(yáng)聲器的指向性圖，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，兩種聲源在1:10縮尺模型試驗(yàn)時(shí)，在實(shí)際頻率125Hz～2kHz有效范圍內(nèi)，指向性指數(shù)誤差不超過±6 dB，基本符合無指向性聲源的要求。其中，導(dǎo)管式點(diǎn)聲源在水平面上的指向性要優(yōu)于小型六面體聲源，但在豎直面方向上，點(diǎn)方向上的指向性指數(shù)明顯偏大，推測(cè)是由于不銹鋼導(dǎo)管和裝有揚(yáng)聲器的箱體有少量透聲。小型六面體聲源的指向性不如導(dǎo)管式點(diǎn)聲源，推測(cè)是由于6個(gè)揚(yáng)聲器振動(dòng)相位不同步，并且聲波發(fā)生了一定的干涉現(xiàn)象。

圖9 部分指向性測(cè)點(diǎn)位置分布圖

表1 部分測(cè)點(diǎn)位置在球面上的經(jīng)緯度

圖10 兩個(gè)點(diǎn)聲源的指向性圖測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

本文研制了兩個(gè)適用于建筑聲學(xué)1:10縮尺模型測(cè)量的小型無指向性聲源。測(cè)試并分析了兩者在特定頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)和指向性。結(jié)果表明，兩者均符合1:10縮尺模型用小型無指向性聲源的標(biāo)準(zhǔn)。目前兩款聲源功率不是很大，使用會(huì)受到一定限制，后續(xù)將研制功率較大的聲源。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金(51878594)

王芳瑩(1992－), 女, 浙江杭州人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)榻ㄖ晫W(xué)。

張三明, E-mail: Zhangsm@zju.edu.cn