09 2021-07

無線測(cè)試系統(tǒng)在多聲場(chǎng)下的驗(yàn)證與對(duì)比

周遠(yuǎn)波，萬(wàn)明，何杰

(四川海巖聲學(xué)科技有限公司，四川成都 610000)

摘要：德國(guó)哥廷根大學(xué)的M.R.Schroeder教授在1965年提出的室內(nèi)聲學(xué)脈沖反向積分法給我們提供了快捷和全面地測(cè)量部分聲學(xué)參數(shù)的途徑，為了更加科學(xué)和高效地進(jìn)行各種規(guī)格的廳堂聲學(xué)測(cè)試，本文基于DIRAC搭建了一套聲場(chǎng)的無線測(cè)試系統(tǒng)，并就該系統(tǒng)在不同聲場(chǎng)條件下的混響時(shí)間指標(biāo)測(cè)試可行性和可靠性就行了驗(yàn)證，以便確認(rèn)該套無線測(cè)試系統(tǒng)能夠用于大型場(chǎng)館的客觀音質(zhì)工程測(cè)試中。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；無線測(cè)試系統(tǒng)；DIRAC；混響時(shí)間，廳堂聲學(xué)檢測(cè)

Application and Comparison of Sound Filed Wireless Test System Based on DIRAC

Abstract: Professor M.R.Schroeder who worked in Goettingen University in 1965 proposed an indoor acoustic pulse reverse integration which provides us a method to measure some acoustic parameters qucikly and comprehensively. For testing a variety of room acoustics scientifically and efficiently, this paper sets up a sound field wireless test system Based DIRAC, and make a verification about the feasibility and reliability of the system such like the reverberation time parameter under different sound field conditions which to confirm the set of wireless test system can be used for large venues objective sound engineering tests.

Key Word: acoustics; wireless test system; DIRAC system; reverberation time

0 引言¹

從2000年至2015年的這十五年是我國(guó)演藝建筑的發(fā)展黃金時(shí)期，在這期間我國(guó)新建了超過200項(xiàng)大型或超大型演藝建筑，建設(shè)集群總投資近千億元[1]。這種背景下，近年陸續(xù)竣工的新建演藝建筑和運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過10年的待維護(hù)演藝建筑的數(shù)量也逐漸龐大起來，如何科學(xué)、高效的進(jìn)行建筑聲學(xué)指標(biāo)的測(cè)試與評(píng)估就成了聲學(xué)工作者需要解決的問題。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO自2007年起陸續(xù)對(duì)例如ISO 3382-1，ISO3382-2等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，國(guó)內(nèi)相關(guān)部門如住建部與國(guó)家質(zhì)檢總局等也對(duì)混響時(shí)間測(cè)量規(guī)范進(jìn)行了修訂，從而為建筑聲學(xué)指標(biāo)的測(cè)試與評(píng)估提供了標(biāo)準(zhǔn)支持。因?yàn)檠菟嚱ㄖ囊?guī)模體量有大有小，為了更科學(xué)、更高效的進(jìn)行建筑聲學(xué)的測(cè)試與音質(zhì)評(píng)價(jià)，本文搭建了一套基于DIRAC的聲場(chǎng)無線測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)此系統(tǒng)在擴(kuò)散場(chǎng)、自由場(chǎng)和普通房間三種聲場(chǎng)條件下做了混響時(shí)間(T20、T30、RT)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)對(duì)比，嘗試找到一種快捷且精確的測(cè)量系統(tǒng)來解決大型廳堂的客觀聲學(xué)參數(shù)測(cè)量問題。

2 測(cè)試方法與特點(diǎn)

德國(guó)哥廷根大學(xué)的M.R.Schroeder教授在1965年提出了測(cè)量混響時(shí)間的脈沖反向積分法[2]。該方法基于下述公式(1)：

式中S(t)是穩(wěn)態(tài)噪聲的聲壓衰減函數(shù)，尖括號(hào)表示群體平均，r(x)是被測(cè)房間的脈沖聲響應(yīng)，N為譜密度。在混響時(shí)間測(cè)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3382中，脈沖反向積分法和聲源切斷法都是被承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法[3]。

采用脈沖反向積分法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先用脈沖聲對(duì)房間進(jìn)行激勵(lì)，記錄下房間的脈沖響應(yīng)，對(duì)這個(gè)脈沖響應(yīng)的平方進(jìn)行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。由于對(duì)脈沖響應(yīng)進(jìn)行了積分，得到的聲能衰減曲線比較平滑、波動(dòng)起伏小且單調(diào)下降。反向積分使小信號(hào)先進(jìn)濾波器，濾波器的穩(wěn)定時(shí)間較短。在沒有背景噪聲的理想條件下，積分區(qū)間從聲壓為零開始到脈沖接收初始點(diǎn)結(jié)束，衰減曲線的方程為下述公式(2)：

式p為脈沖響應(yīng)聲壓。計(jì)算得到衰減曲線后，根據(jù)聲能降低的斜率計(jì)算出混響時(shí)間[4]。

采用脈沖反向積分法測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）重復(fù)性好，普遍認(rèn)為1次脈沖反向積分法的測(cè)量精度與10次聲源切斷法的平均值相當(dāng)。

（2）測(cè)量時(shí)記錄脈沖響應(yīng)，還可以同時(shí)得到早期衰減時(shí)間EDT等其它輔助聲學(xué)參數(shù)。

3 測(cè)試平臺(tái)的搭建

本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)基于丹麥B&K的DIRAC測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行，測(cè)試和輸出端采用DELL筆記本電腦、2734B功率放大器、正十二面體標(biāo)準(zhǔn)聲源、0948音頻接口、4231聲校準(zhǔn)器、1704 CCLD信號(hào)放大器等作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件基礎(chǔ)。

在聲音信號(hào)采集前端，傳聲器的有線連接模式是現(xiàn)有聲場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)最常用的測(cè)試方式，這種模式普遍地應(yīng)用于廳堂場(chǎng)館的聲學(xué)測(cè)試中，其優(yōu)點(diǎn)是：

1) 標(biāo)準(zhǔn)傳聲器性能優(yōu)異；

2) 有線連接方式數(shù)據(jù)傳輸安全可靠；

3) 經(jīng)過長(zhǎng)期的工程測(cè)試驗(yàn)證，原始記錄準(zhǔn)確。

其缺點(diǎn)是有線連接模式只能應(yīng)用于中小體量的建筑場(chǎng)館內(nèi)，如果遇到大型體育場(chǎng)館或音樂廳，傳聲器的布點(diǎn)范圍極大的受限于連接線的長(zhǎng)度，而且連線方式極大的影響了布點(diǎn)的效率，如需要進(jìn)行滿場(chǎng)狀態(tài)下測(cè)試，這種方式可能會(huì)給測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)帶來大麻煩（一次測(cè)量可能耗時(shí)2小時(shí)以上），甚至不能完成正常的測(cè)試流程。

所以針對(duì)不同規(guī)模室內(nèi)聲場(chǎng)空間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試考慮，本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同聲場(chǎng)條件，采用了B&K 4189自由場(chǎng)傳聲器和B&K 4942傳聲器的有線連接模式、4189和4942傳聲器無線連接模式和MKH800 P48傳聲器無線連接模式等多種聲音信號(hào)采集方式來進(jìn)行對(duì)比。此處之所以將消聲箱中校準(zhǔn)過的MKH800 P48傳聲器也作為測(cè)量用傳聲器來使用，是因?yàn)榈淏&K的所有傳聲器都是全指向性傳聲器，不能進(jìn)行8字型拾音模式的調(diào)制，在現(xiàn)場(chǎng)情況下無法滿足對(duì)側(cè)向聲能LF/LFC的測(cè)試[5]。

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)選用測(cè)試院的全自由場(chǎng)消聲室、混響室和錄音棚作為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。測(cè)試院消聲室建于上世紀(jì)七十年代，是西南地區(qū)建設(shè)時(shí)間早、規(guī)模大、聲場(chǎng)效果優(yōu)異的專業(yè)全消聲室；混響室尺寸8m×6m×5m，墻面平均吸聲系數(shù)0.06，設(shè)計(jì)中頻混響時(shí)間在6秒以上；錄音棚經(jīng)過了較為系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)，隔聲、吸聲和擴(kuò)散等均做了對(duì)應(yīng)處理，室內(nèi)幾何尺寸比為1：1.4：1.9，體積167m3；設(shè)計(jì)混響時(shí)間為0.3s[6]。

本次實(shí)驗(yàn)依據(jù)參考ISO 3382-1和ISO 3382-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，主要針對(duì)混響時(shí)間T20、T30和RT來進(jìn)行驗(yàn)證與對(duì)比[7]。在消聲室、混響室和錄音棚不同聲場(chǎng)情況下測(cè)得的學(xué)性能參數(shù)原始記錄數(shù)據(jù)，分別由下面4.1、4.2和4.3節(jié)的表1、表2和表3給出：

4.1 全自由場(chǎng)消聲室

頻率[Hz]		31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
4189 有線	T20[s]	0.34	0.10	0.03	0.03	0.04	0.04	0.03	0.03	0.05
	T30[s]	0.33	0.14	0.15	0.04	0.03	0.08	0.03	0.04	0.04
	RT[s]	0.34	0.09	0.02	0.03	0.03	0.04	0.02	0.02	0.03
4189 無線	T20[s]	0.42	0.06	0.02	0.02	0.03	0.04	0.03	0.03	0.04
	T30[s]	0.38	0.11	0.19	0.04	0.03	0.07	0.03	0.03	0.04
	RT[s]	0.42	0.07	0.02	0.02	0.03	0.04	0.02	0.02	0.04
MKH800 無線	T20[s]	0.38	0.06	0.02	0.02	0.03	0.04	0.03	0.03	0.04
	T30[s]	0.37	0.10	0.21	0.04	0.03	0.08	0.03	0.03	0.04
	RT[s]	0.38	0.06	0.02	0.02	0.03	0.04	0.03	0.02	0.04

表1 全自由場(chǎng)消聲室聲場(chǎng)條件下測(cè)試數(shù)據(jù)

Table 1 test data in full free-field acoustic anechoic chamber

4.2 混響室

頻率[Hz]		31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
4942 有線	T20[s]	16.00	18.84	15.55	11.83	10.59	8.81	6.80	4.54	2.82
	T30[s]	13.95	18.53	15.84	12.10	10.66	8.86	6.88	4.63	2.91
	RT[s]	16.62	18.17	15.46	11.96	10.66	8.82	6.81	4.50	2.75
4942 無線	T20[s]	13.07	18.16	16.01	12.06	10.73	8.87	6.92	4.56	2.80
	T30[s]	13.89	18.26	16.16	12.34	10.82	9.01	6.95	4.61	2.90
	RT[s]	12.61	18.00	16.16	12.17	10.82	8.96	6.94	4.58	2.78
MKH800 無線	T20[s]	14.74	18.60	16.04	12.10	10.71	8.90	6.89	4.53	2.77
	T30[s]	14.97	18.43	16.18	12.32	10.84	8.94	6.93	4.58	2.91
	RT[s]	15.29	18.64	16.18	12.22	10.79	8.92	6.88	4.51	2.76

表2 混響室聲場(chǎng)條件下測(cè)試數(shù)據(jù)

Table 2 test data in Reverberation chamber

4.3 錄音棚

頻率[Hz]		31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
4942 有線	T20[s]	0.66	0.39	0.27	0.22	0.26	0.34	0.41	0.43	0.42
	T30[s]	0.65	0.45	0.33	0.23	0.25	0.35	0.42	0.44	0.42
	RT[s]	0.69	0.39	0.27	0.22	0.27	0.34	0.42	0.44	0.42
4942 無線	T20[s]	0.57	0.34	0.28	0.22	0.26	0.33	0.43	0.44	0.42
	T30[s]	0.62	0.40	0.34	0.24	0.27	0.35	0.43	0.45	0.42
	RT[s]	0.60	0.34	0.28	0.23	0.25	0.34	0.43	0.45	0.42
MKH800 無線	T20[s]	0.59	0.35	0.29	0.22	0.25	0.35	0.42	0.45	0.42
	T30[s]	0.61	0.41	0.36	0.23	0.26	0.35	0.42	0.45	0.42
	RT[s]	0.61	0.33	0.30	0.23	0.26	0.34	0.42	0.45	0.42

表3 錄音棚聲場(chǎng)條件下測(cè)試數(shù)據(jù)

Table 3 test data in Recording studio

5 結(jié)果分析與對(duì)比

實(shí)驗(yàn)通過對(duì)三種不同聲場(chǎng)條件下得到的測(cè)試數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計(jì)，針對(duì)上述的混響時(shí)間T20、T30、RT等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試原始數(shù)據(jù)的對(duì)比，得到各個(gè)客觀參數(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖1～圖9?？梢钥闯鲈诒额l帶下，除了31.5Hz和63Hz的測(cè)試結(jié)果有較大偏差外，其它中高頻段數(shù)據(jù)相差很小，完全滿足廳堂現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試的需要。

5.1 全自由場(chǎng)消聲室

圖1 混響時(shí)間T20數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig. 1 Comparison Chart of reverberation time T20

圖2 混響時(shí)間T30數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig. 2 Comparison Chart of reverberation time T30

圖3 混響時(shí)間RT數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig. 3 Comparison Chart of reverberation time RT

5.2 混響室

圖4 混響時(shí)間T20數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig. 4 Comparison Chart of reverberation time T20

圖5 混響時(shí)間T30數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig. 5 Comparison Chart of reverberation time T30

圖6 混響時(shí)間RT數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig. 6 Comparison Chart of reverberation time RT

5.3 錄音棚

圖7 混響時(shí)間T20數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig.7 Comparison Chart of reverberation time T20

圖8 混響時(shí)間T30數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig. 8 Comparison Chart of reverberation time T30

圖9 混響時(shí)間RT數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig. 9 Comparison Chart of reverberation time RT

6 結(jié)論與不足

從上述測(cè)試結(jié)果及分析可以得出以下歸納點(diǎn)：

⊄ 1) 在全自由場(chǎng)消聲室聲場(chǎng)中采用4189傳聲器無線連接模式測(cè)得的數(shù)據(jù)，在125Hz頻率點(diǎn)附近的測(cè)得值與其他模式測(cè)得有所偏差。

⊄ 2) 在混響室聲場(chǎng)中采用三種傳聲器連接模式測(cè)得的數(shù)據(jù)相互間有所偏差。

⊄ 3) 在錄音棚聲場(chǎng)中采用三種傳聲器連接模式測(cè)得的數(shù)據(jù)，在100Hz以下的中低頻段測(cè)得值在工程測(cè)試可接受的范圍內(nèi)有一定的偏差。

⊄ 4) 基于DIRAC組成的測(cè)試系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)與過往基于PULSE系統(tǒng)的測(cè)試值相比，其復(fù)現(xiàn)性和重復(fù)性都很好，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

⊄ 5) 基于DIRAC的無線系統(tǒng)在大型場(chǎng)館中應(yīng)用方便，其低頻范圍內(nèi)數(shù)據(jù)有所偏差，但中高頻段數(shù)據(jù)可靠性很高，可以嘗試在大型廳堂場(chǎng)館的現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試中使用。

⊄ 6) MKH無線系統(tǒng)與B&K傳聲器對(duì)比，數(shù)據(jù)誤差范圍穩(wěn)定性稍差，可以通過多次測(cè)量來解決該部分問題，其相對(duì)誤差相較傳統(tǒng)方法更低，又因?yàn)锽&K麥克風(fēng)沒有8字型指向性話筒，在一些聲場(chǎng)測(cè)試局限性，MKH800無線系統(tǒng)可以取代B&K麥克風(fēng)用于大型工程的測(cè)試。

本次實(shí)驗(yàn)尚存在一些不足之處，如本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闀r(shí)間的限制，沒有進(jìn)行語(yǔ)言清晰度、側(cè)向聲能等其他客觀音質(zhì)參數(shù)的測(cè)試與驗(yàn)證；本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闂l件的限制，沒有進(jìn)行大型場(chǎng)館的對(duì)比測(cè)試等。

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