（机械电子工程专业论文）基于dsp的实时互谱声强测量系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 相对于成熟的声压测量技术，声强测量技术还是一门年轻的声学测量手段。声 强的定义为声波传播过程中空间单位面积上传输的声功率，它的指向是声传播的方 向。对于一个声源，只要将其包络面上的声强矢量作积分，就可以求出被围声源的 声功率，而测量区域之外的干扰噪声得以抵消，因此可以在普通环境下能准确地测 定声源声功率。利用声强包含的方向信息，可以很容易地鉴别声源和研究声能的分 布与传播。声强测量技术已经在测定声功率、主要噪声源识别、测定材料的声学特 性等方面发挥了非常重要的作用。因此研究声强测量理论，并在此基础上开发一套 适合我国国情的实时声强测量分析系统具有十分重要的意义。 本课题综合比较了现有声强测量技术实现的各种方式的优缺点，创新地采用了 基于声强探头、d s p 多通道信号分析系统和p c 机三大部分组成的实时声强测量系 统的硬件结构，双传声器探头用于获得两路声压信号，多通道d s p 处理系统用于对 声强数字信号的实时处理，包括h 呵运算、声强倍频程谱计算、a 计权声强谱计算 等；p c 机用于数据的存储，显示和一些后续的处理。硬件结构充分利用了d s p 的 快速计算能力和p c 强大的图形显示能力，达到了最优化的目的。 软件算法上，本课题在作h 叮计算之前，把两个测量通道的声压数字量分别作 为实部和虚部组合为一个复数，先对该复数作f f t 计算，再从计算结果中分离得到 两路声压谱，采用此方法只需通过一次频谱的交换计算和简单的加减运算就可以同 时得到双传声器的声压数字谱，大大减少了计算量。误差补偿方面，课题采用几何 平均声压代替通常的算术平均声压来计算双传声器法的声场声压值，这样不仅可以 有效的减少声强测量中的高频误差，对有限差分误差起到了补偿作用，而且还大大 减小了声压谱计算中的计算量。 最后的实验证明，系统在声强测量的精度和实时性两方面均达到了设计要求。 关键词：互谱声强测量，声强误差分析，实时信号分析，谱估计，倍频程分析， d s p 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o l i i p a r e dw i t ht l l ed e v e l o p e ds o m l dp r e s s u r ei n e 勰l l r 锄e n tt e c l l l l o l o 霉ms o l l l l di n t e 璐i t v m e a s u r 锄e n tt c c l l n o l o g yi ss t i l lay o 衄g o i l s t i cm 咖舶tm c l b o ds 0 dj n 劬s n y i sd c f _ m e d 鹞t h e m l dp o w e rp 盯a r i nt h ep r o c e s so f t h es o u n dw a v ep r o m l l l g a t i o n i 协 d i r e c 矗o ni st h es 锄e 鹪t h ed i r e c t i o no fs o l | 1 1 dw a v ep r o m m 鲥0 n k t e 龋a t i n gt h e u n d i n t e n s i t yv e c t o ro nt l l ea r 龃w l l i c hs 哪眦l d sa l m d l l r c eg e t st h es o l l i l dp o w 钉o ft l l i s s o u n ds o u r c e s i n c et h ei n t e g r a lo ft h e 吼dp o w e ro f 也es o l | n ds o u r c e sw k c h 盯en o t 锄c l o s e db yt l l ea r e ai sz e r o ，o n ec o u l dm e 硒u r et h e l 】n dp o w e fi n 删州 锄r i r o m n 即临c o 玎e c n yb ym e 嬲u 血培s o m l di n t e 璐i 够u s i i l gt h cd i r c c t i o ni i l f o m l a t i o no f 眦l di n t 咄i 劬o n ec o u l de 嬲i l yi d 锄母t h e u n ds o u r c ea n d s t u d ym ed i s m b u t i o n 柏d p r o m i l l g a t i o no ft h es o m l d u r c e s o u n di l i t e n s i 哆m s u 咖1 tt c c b i l o l o g yh 硒p l a y e da v e r yi i i 巾o r 觚r o l ei nm e 船u r i n g i l n dp o w e r i d e n t i f y i n gt h em a i ns o u n ds o u r c 鹤， m e 私u r i n gt t l ea c o l l s t i c a ic h a r a c t e 体o f m a t e r i a l sa i l d o nt h c 槌f o r e ，s t i l d y i n gt 1 1 es o u n d i n t s i t ym s l | r 啪e n tt 1 1 e o r y 缸dd c v e l o p i n gar c a l 1 i 圮l l n di t e 】眵i t ym e a s 锄e n t s y s t e mw t l i c hm e e t st l l es i t i l a t i o no f o u rc o u n 仃yi sv e r ys i 卿丘c 孤1 t t h r o u 曲c o n l p a r i n gt h ea d v a n 怔i g c sa n dd i s a d v a n t a g 髓o ft h ec l l n 蜘ts o 咖di n 咖s 蚵 s y s t e i 璐，ar e a l - t 姗es o 眦di n t e 衄i t ym e 躺蛐汜m e n ts y s t 锄i sd e v e l o p e di l lt l l i sd i s s e n a t i o n t 1 1 i ss y s t 锄j sc o i l 】p o s e do fas 0 硼di n 把i t yp f d b e ad s pb a s e dm u l t i c h 糊e 1s i 鄹a l 锄l y s i ss y s t e m 觚dap e r s o n a lc o n 平u t e r t h e 眦di n t e n s i t yp i d b ei su s e dt og e tt h e s o 咖dp r e s s u r cs i 目尬lo ft h e 懈，o1 1 1 i c r o p h o n 嚣t h ed s ph 鹋e dm i l l t i - c h a l l i l e ls i 鼬a l 锄l y s i ss y s t 锄i su s e dt oc o n d u c tm e 删- 缸ep r o c 髂幽1 9o fl h e l m di n t e 粥i t y 舒孕址 w l l i c hi n c l u d 懿t l l ef f rc o 玎叩u t i n 岛t l l e 吼di n t e 璐i t y0 c t a v e 印e c 恤m lc o n 驴u t i n 吕a w e i 曲c d 岫di n 锄塔时s p e c m mc 0 1 叩l n j n g 趾d o 几1 1 l ep 铘a lc o r 印u t e ri s 璐e d f b r 1 h ed a t as t o r a g e ，r e s l l l 忸d i s p l a y ，觚do t h e fp o s t p r o c 部鲕唱t b i sh a r d w 批 c 砌g u r a _ t i 吼l l s e st h e 觚c 伽叩鲥h ga b i l i t yo fd s p 觚dt h ep o w e r f i l l 鲫h i c sd i s p l a y a b i l “yo f t b ep e r s o n a lc o n i p u t e ft om a k e 血eb e s ts v s t e 札 h 1t h es o f t w a a l g o r i t l l 】【n ，t h es y s t c r nc o 玎出i n 髓t h es 0 岫d p r e s g u r ed i 西【a ls i 龋a l st om a k e ac o m p l e xn u l l l _ b e rb e f o r et h ef f rc o 功p u t i l l g f i r s tc o i 即u t et h ef f ro ft h i sc 唧l e x n 咖b e ra n d 血靶p a 船t c 血er 器l l l tt og c tt h ef f rr 嚣i i l t so fl h es o 眦i dp r c s s l es i g n a l s u s i i i gt i l i sm e t h o d t h cs y 咖ng e t s 也ef f tr 锚i l i t so ft h es o m l dp r e s s l l r es i 舻a l sb yj l l s t o n ef f tc o i l | p u 血ga n dl h es 呻l ea d d i 虹o na n ds u b 舡_ h t h i s 掣e a t l y d u c e sl l l e c 唧u t i i 培虹m eo f l h es y s t e 】札o nt h ea s p e c to f e r r o rc o r r 驴e 船a t i o n 1 h es y s 咖1 璐i n gm e g m e 们c 孙7 e r a g c l dp r e s s 哦i i l s t e a do f t h ea r i t b i i l e d ca v e m g es o u n dp r e s s u t og c t 曲e m l dp r e s s u r eo ft h ei n e 鹤l | r e m e mp o 衄t 1 l i sm 甜l o dn o to n l yr e d i l c 船m el l i g h n 斟i u e n c y 饼mt h e 啪di n t 即s i t ym e 船删砌e n t ，w h j c hc o 螂c n s a t e st h ef h d t e d i n e f c n c e 印p x l 玎擅石o n 删汕u ta l s o 铲船n yr e d i l c 嚣t h ec o 唧u t a t i o no ft 卫l es o 衄d p f e s s u s p e c 仇i n l 浙江大学硕士学位论文 皿el a s te x p e r i n l e l i t s1 l a v ep m v c dt h a tt l l i ss y s t 锄m t st h ed c s i 弘r e q u i r 锄e 1 1 t so nb o t l l p r e c i s i o na n dr e a l 撕l n ea b i l i 够 k e y w o r d s ：c r o s ss p e c 舡曩ls o 硼dm t e n s i t ym e 鹋u r 锄毗e r r o ra n a l y s i so fs o 岫d m t 锄s 埘m e a s u 凇n 踟r c a l t 硫s i 弘a la i l a l y s i s ，s p 仇吼e s 血m t i o n ，0 c t a e a m l y s i s ，d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘姿盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 本学位论文作者 ? 书 的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作 签字日期： 学位论文作 工作单位： 通讯地址： 导獬：陟钞 签字日期：哆矽年占月f 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 声强测量技术研究的意义及其应用 噪声是机器设备质量优劣的重要指标，是设备性能的综合反映。我国的很多机 电产品因为噪声超标而失去在国际市场的竞争力。噪声也是工业劳动环境中的污染 之一，对周围人员的身心以及对社会都有产生严重的影响。为此国家也制定了相关 的法律要求对噪声进行防治。为了提高产品质量，增强产品在市场上的竞争力，控 制机械产品的噪声问题受到了极大的关注。而这一切工作都是以有效、可靠的声源 声功率的测量和辐射声场的声学特性测量为前提和基础的。 传统的声学测量大多是以声压为测量参数，在进行声源声功率测量时需要有特 殊的声学环境( 如消声室、混响室) ，这些特殊的声学环境的建造不仅耗资巨大，而 且很多机器由于结构、重量、尺寸及运转、安装条件的限制，而无法在这些环境内 进行测量。从物理意义上理解，声压是标量，只具有幅值信息，不能全面地描述辐 射声场的声学特性( 如噪声源的分布、声场特征以及机器结构的声辐射的特性等) 。 因此，传统的声功率测量方法己经不能满足先进制造技术发展的要求和越来越高的 声学测量需求。 八十年代发展起来的声强测量技术在进行噪声声源声学测量方面具有诸多优点 声强是个矢量，包含有声场中声压和质点振速的共同信息，对于一个声源，只要将 其包络面上的声强矢量作积分，就可以求出被围声源的声功率，而测量区域之外的 干扰噪声得以抵消，因此可以在普通环境下能准确地测定声源声功率。它不仅适合 进行机器设备的整体声功率测量，且对于多声源机器设备，可分别测取各声源的声 功率值。同时利用声强还可以进行噪声源识别、声传递途径的识别、结构声辐射效 率、传递损失的测试以及声场复声压等方面测量。因此，在国际学术界引起广泛的 重视，至今仍是研究的热点问题之一。 这种具有巨大实用价值的测量分析技术在我国的机电产品制造业噪声测量中不 能很好地推广应用，其主要原因是有关声强测量理论尚待研究，国外先进的声强法 声功率测量系统价格昂贵，如丹麦b i ( 的一套声强测量系统需要几十万美元，国内 众多企业无力购买。因此研究声强测量理论，并在此基础上开发一套适合我国国情 的实时声强测量分析系统具有十分重要的意义。 浙江大学硕士学位论文 1 2 国内外声强测量技术的发展 1 2 1 国外发展过程门 瞬时声强是瞬时声压和瞬时质点速度的乘积，需要实时同步测瞬时声压和瞬时 质点速度，然后加以相乘。由于用传声器钡5 量声压的问题早己解决，所以问题就集 中在解决测量质点速度上。 1 9 3 1 年美国r c a 公司的h a r r yo l s o n 申请了名为“s y s t e mr e s p o n s i v et ot h e e n e r g y f l o w o f s o u n d w a v e s ”的专利【9 1 。多年以后o l s o n 又发表了一套声功率计 1 0 l ， 具有能同时测量声压及质点速度的探头，系统中还配有带通滤波器，可是没有见到 其实际应用的报道。 1 9 4 0 年c wc l a p p 和f a f i r e s t o n e 用一个铝箔式速度传感器和二个晶体式传 声器组合成一个声功率计的探头，研究了驻波管及混响室中的声强场【1 “。 1 9 4 3 年kh b o l t 和a a p e t r a u s k a s 首次应用双传声器技术测量材料的声阻抗 【1 2 】，这为以后发展起来的双传声器法指出了方向。 1 9 5 5 年s b a k e r 用一个热线式风速计和一个传声器组合起来测量声强。可惜该 系统对额外的空气流动过于敏感，以致不能在现场应用【1 3 。 至此可以看出质点速度的直接测量具有很大的难度，从而出现了间接测量质点 速度的方法。 1 9 5 6 年t j s c h u l t z 应用b o l t 的双传声器法的原理，通过处理两个传声器的声 压信号，得到质点的速度【1 4 1 。这开创了质点速度的间接测量法，为声强测量的发 展做出了很大的贡献。可惜的是他应用的是背对背的蝶形传声器，两者之间间距很 小，且对电子线路的要求在当时也属过高。他在实验室简单声场的条件下取得了满 意的测量结果，但在刚性封闭空间中测量却不成功。 2 0 世纪7 0 年代初期南非的b gv a nz y l 及ea n d e r s o n 首先用声强法测量了复 杂声源辐射的声功率”5 1 。他们在开始时曾用过直接测速及声压相结合的方法，但后 来改用双传声器的间接测量法。还进行了商品化开发的尝试【l “。 1 9 7 7 年瑞士的h el a m b r i c h 和w a s t a h e l 开发了一套低频( 5 0 - 5 0 0 h z ) 的 模拟声强仪，用以研究汽车内部噪声b t i 。同年南斯拉夫的gp a v i c 也开发了一种 用两个电容式传声器及一个声级计的声强测量仪【i 叭。 在2 0 世纪7 0 年代数字信号处理技术发展得十分迅速，f 丌分析已广泛应用。 人们发现只要把双传声器测到的信号由时域转换到频域，以其互谱的虚部就可以得 2 浙江大学硕士学位论文 到声强，这意味着只要有两个高质量的传声器和一个f f r 分析仪就可以组成一套声 强测量系统。有关这方面的代表人物当数美国通用汽车公司的j y ic h u n g 和英国南 安普顿大学的f j f a h y ，他们在1 9 7 7 年所发表的成果极大的推动了声强测量技术 的发展【”一o j 。同时在这方面做出贡献的还有澳大利亚的j a l f r e c l s o n 和法国的 j m l a m b e r t 等人【2 ”。 在此基础上，不少商品化的声强测量系统出现在市场上。丹麦的b r u e l & k i a g r 公司陆续推出了各种型号的声强测量仪。图1 1 是该公司的双传声器探头。图1 2 是该公司的便携式声强测量仪，型号为4 4 3 3 ，配以双传声器探头3 5 2 0 ，该仪器的测 量和运算都由硬件线路完成，测得的结果可从数字表头上读出。图1 3 是该公司的 另一种声强分析仪2 1 3 4 ，配以该公司的显示单元4 7 1 5 和双传声器探头3 5 1 9 组成一 个完整的声强测量系统t y p e3 3 6 0 。该系统用数字滤波计算声强，可以显示倍频程谱 和1 3 倍频程谱。 图1 1b & k 公司的双传声器探头 图1 2b & k 便携式声强测量仪4 4 3 3图1 3b & k 声强分析仪2 1 3 4 浙江大学硕士学位论文 图1 4 和图1 5 分别是是日本小野测器公n ( o n o s o k k i ) 的声强测量系统c f 3 6 0 0 和该公司开发的三维声强探头。此探头与图1 1 b & k 的探头有两点不同，一是将两 对传声器面对面的置于一根直管中，二是该探头可以同时测量声强在空间三个方向 的分量。声强探头的信号同时经放大器输入c f 一3 6 0 0 分析仪，可以计算出声强的大 小，该系统原理是基于频域的互谱声强测量法，与本课题开发的声强测量系统基于 同一个原理，也是目前国内研究的声强测量系统普遍基于的原理。 图1 r 4o a o - s o k l d 的声强测量系统c f - 3 6 0 0 图1 5o n o - s o k k i 的三维声强探头 图1 6n o r w e g i a ne l e c t r o n i c s2 1 6 声强探头 上述各种声强测量仪都是用间接法测量质点速度的，但直接测量指导速度的方 法仍有人在研究。1 9 8 2 年o hb j o r 和h j k r y s t a d 提出用超声波速的对流多普勒频 移效应来测量质点速度的方法【2 2 1 。这方法已由挪威电子公司采纳并实现在其生产 的声强探头上，如图1 6 所示。该探头可以和滤波系统或f f t 分析仪组合成声强测 4 浙江大学硕士学位论文 量系统。 1 2 2 国内发展概况 与丹麦、日本等国家相比，我国的声强技术研究起步较晚，且从事研究的单位 很少。我国的声强技术研究开始于8 0 年代中期，主要的研究单位有合肥工业大学机 械与汽车工程学院、清华大学汽车工程系、中科院声学所等。其中，中科院声学所 的研究主要集中在双传声器声强探头上。合肥工业大学是国内研究声强技术最早、 最全面的研究单位之一，1 9 8 7 年在国内首先研究开发出以p c 机为核心的声强测量 分析系统，目前正在国家自然科学基金的支持下，对国际前沿的扫描声强技术和全 息声强技术进行研究。清华大学汽车工程系对常见的基于p c 机的声强测量系统进 行了改进，将前置放大、抗混滤波以及a d 转换合并成一个仪器，称为信号数字化 仪，其输出由打印机的并行口接入p c 【2 3 】。如图1 6 所示。这个改进使得该测量系统 可以用笔记本计算机代替台式计算机，克服了台式机的供电和不便移动的缺点。 信号数字化仪 图1 6 清华大学对微机声强测试系统的改进 输出、显示 这些声强测量系统的共同点是完全依靠专用的声强软件在通用计算机上实现声 强的计算，限于通用计算机的运算速度，该类型的系统无法进行实时的声强测量分 析，特别是对于非平稳的声场，声强结果的显示会滞后很多，但在d s p 芯片开发工 具缺乏、价格昂贵的8 0 年代，该方法不失为一种经济的替代方法。随着d s p 芯片 的快速发展和普及，各大d s p 生产商相继推出了自己的软件开发工具，如t i 公司的 c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ，这些开发工具大大降低了d s p 系统的开发难度。同时 随着半导体生产技术的进步，d s p 芯片的价格也大幅下降，8 0 年代初性能较低的 d s p 芯片每片需要5 0 0 美元，现在1 r i 公司的高性能3 2 位浮点d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 每片不到2 0 美元。在这样的发展趋势下，国内一些单位，如合肥工 业大学和北京东方噪声振动研究所开始了对基于d s p 的实时声强测量系统的研发。 浙江大学硕士学位论文 浙江大学机械电子控制工程研究所采用高性的d s p 处理器t m s 3 2 0 c 6 7 i l ，以及实 现了实时声压的高分辨率倍频程分析，并获得工业化的应用。 为了推动国内声强测量技术的发展和为各研发单位提供统一的要求，电子工业 部第三研究所于1 9 9 8 年起草了声强测量系统标准g b f f1 7 5 6 1 1 9 9 8 声强测量仪 用声压传声器对测量。然而，即使在该标准颁发了1 0 年后的今天，国内仍然 没有开发出适合国情的实时声强测量系统，已有的实时声强测量系统基本处于实验 室阶段。分析其原因主要有三点： 1 双传声器探头的研制十分困难，目前国内的技术很难保证两个传声器的频率 相应一致，这将造成声强测量产生较大的相位适配误差，而国外的生产的声强探头 又十分昂贵，如b & k 的声强探头需要1 0 ，0 0 0 美金，无法实现国产化的要求，对该 问题的现实可行的一个解决办法是通过软件对相位适配误差修正： 2 对声强测量各种误差的研究还不够，声强测量中会产生各种系统和随机误差， 如何对这些误差进行估算以在算法中对其修正是保证声强测量结果准确的重要因 素： 3 多通道实时信号分析硬件系统的研究。这方面的一个难点是系统测量实时性 能的保证，基于双传声器原理的声强测量需要对两个传声器测得的声压信号同时处 理，即使采用快速傅立叶变换( f f t ) 计算量仍然较大，而声强测量技术的一个最 主要的应用声功率测量对系统的实时性要求很高。 1 3 本论文的研究内容、难点和创新点 1 3 1 研究内容 本课题采用基于f f t 计算的间接声强测量法( 见2 2 3 节) 。构建的声强测量分 析系统硬件由双传声器探头、多通道d s p 处理系统和p c 机组成。双传声器探头用 于获得两路声压信号，多通道d s p 处理系统用于对声强数字信号的实时处理，包括 f f t 运算、声强倍频程谱计算、a 计权声强谱计算等；p c 机用于数据的存储、显示 和一些后续的处理。 本课题的研究的内容主要包括以下五个方面： 1 声强测量算法理论研究。本课题研究的声强测量系统的基本原理是将双传声 器测得声压信号输入双通道f f t 分析仪，计算出其互谱的虚部从而得到声强。对声 强测量原理及其相关的技术细节的正确理解是开发声强系统的最基本的前提，而这 些原理的推导涉及了空气动力学、声学、信号处理等相关知识，以及较为复杂的数 6 浙江大学硕士学位论文 学推导。因此对这些相关知识的学习掌握是本课题研究的基础。 2 声强测量技术中误差及其修正方法的研究。互谱声强实际测量时声强的测量 值会受到系统误差( 如，有限差分误差、相位失配误差等) 以及一些随机误差的影 响。对这些误差的估计和修正是保证声强测量准确的前提，因此，对误差产生原因、 误差大小、修正方法的研究是本课题的重要内容。 3 声强测量硬件系统的研究。这部分的主要内容为对包括声强探头在内的硬件 的传递特性的标定，例如，在声强分析中很重要的一个环节是要保证双通道声压传 感器性能的一致。但是，由于制造工艺等原因，实际两个测量通道间不会完全对称， 所以一定会有相位失配误差，该误差可以通过对系统传递特性的标定，然后测量时 用软件对其进行自动修正。由此可见，硬件系统的准确标定是测量精度的保证，而 硬件系统标定是通过实验完成的，因此算法的理论研究要与实验相结合。 4 声强测量算法程序在d s p 系统上的实现；这部分主要任务主要是对声强测 量程序的优化以保证声强计算的实时性，以及程序在系统中的实现以测试声强算法 的正确性。 5 测试、改进与完善分析系统。本课题构建的声强测量系统的各项指标以g b t 1 7 5 6 1 1 9 9 8 声强测量仪用声压传声器对测量为标准设计。 1 3 2 课题难点 1 声强测量和声压测量的结合。声强算法的实现是一较复杂的过程，用双传声器 法进行声强测量，主要是通过声压的测量来得到声强结果。因此，在双传声器法中， 声压的测量是基础，只有正确的得到声压测量结果，才能锝到正确的声强结果。另 外，在声强测量中，要使用声压来估计声强的实际测量误差；又如，声压经常被用 来作噪声评价，如果在测量声强的同时也提供声压结果，在对噪声源进行的声强分 析中就可以同时进行噪声评价。所以，如何将声强和声压的测量有机的结合起来， 是提高测量效率的重要问题之一。 2 测量结果的误差修正。双传声器法测量声强用两个传声器测得的声压在单位 距离上的差值近似声压的梯度，所以存在固有的系统误差。此系统误差也称为有限 差分误差，在测量高频噪声时表现明显。另外，声强探头也是一个难点，要保证两 个声压传感器性能完全一致是很困难的，即双传声器的两个测量通道之间存在有相 位失配，这主要是由于两通道的灵敏度失配以及探头对声场的散射所致。相位失配 会影响测量精度，这主要表现在测量低频噪声时。此外还有一些其它方面因素引起 的误差。因此如何在算法中对这些误差进行修正是保证测量结果准确的前提。 7 浙江大学硕士学位论文 3 系统实时性的保证。用双传声器法进行声强测量，主要是通过声压的测量来 得到声强结果，且在实际的测量中总是需要同时处理双传声器的数据，即使采用快 速傅利叶变换算法计算量还是相当大，另外系统还要同时进行信号的存储与管理的 工作。因此，如何优化程序，在计算量和精度上找到平衡点，从而保证测量系统的 实时性是本课题的难点之一。 1 3 3 课题创新点 1 两谱同出的复数变换。对于声强测量的数字计算，总是同时需要双传声器的 数据。在声压谱的计算中，当然可以先计算来自传声器a 的声压谱，然后再计算来 自传声器b 的声压谱，但是这么做的计算量很大，系统实时性难以保证。为了提高 计算效率，本算法采用目前声强测量中较为先进的两谱同出的复数变换法，先把来 自双传声器探头的声压数字量叱【纠和d s 【纠组合成一复数序列d ( k ) 作f f t 计算，即 d ( k ) ：d a ( k ) + j d e ( n 。其中j 为虚数算子，然后在从d 但) 的f f t 结果中分离出d 一( 七) 和4 。j 。采用此方法只需通过一次频谱的变换计算和简单的加减运算就可以同时 得到双传声器的声压数字谱，大大减少了计算量。 2 采用几何平均声压代替算术平均声压。如前所述，双传声器法声强测量时的 声压，应定义为双传声器声学中心连线中点处的声场声压。本算法采用几何平均声 压代替通常的算术平均声压来计算双传声器法的声场声压值，这样不仅可以有效盼 减少声强测量中的高频误差，对有限差分误差起到了补偿作用，而且还大大减小了 声压谱计算中的计算量。论文中对几种具体声场的分析还表明，对于宽频声场，几 何平均声压法有着比算术平均声压法更为平直的误差曲线，方便了软件中的误差补 偿计算。 3 该系统的硬件采用d s p 信号处理系统对声强数字信号的实时处理，p c 机用 于数据的存储、显示和后续的处理，d s p 信号处理系统和p c 机之间用u s b 线通讯。 其中，d s p 系统主芯片采用了两块t i 的高性能浮点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 ，一块 负责对声压信号的采样等预处理，另一块负责计算声强谱，充分利用了d s p 的快速 运算能力和p c 机的图形显示和文件管理能力，以实现高性能的声信号分析。本硬 件系统的另外一个创新把整个系统的程序，包括u s b d s p 和f p g a 的程序都存放 在p c 中，系统在开始工作的时候从上位机p c 通过u s b 连线下载程序，这种设计 的优点是整个系统的程序都可以很方便的更新。截至到目前，国内同类系统中还没 8 浙江大学硕士学位论文 有见到这样的设计。 9 浙江大学硕士学位论文 第2 章声强测量技术的原理和目前的各种实 现方法 2 1 相关名词的定义 2 1 1 声压和声强 介质中声波所及的区域称为声场( 本课题仅涉及声波传播介质是空气的情况) ， 声波在声场中是以疏密波的形式传播的，所以声场中各体积元的压强是时间和空间 的函数。 声场中某点的声压p 的定义为，介质中声波存在时该点的压强办与该介质处于 平衡状态时的静压岛的差值，即p = 办一岛。但实际上该声压p 为该点的瞬时声 压，是时间的函数，而人耳不是不能鉴别出瞬时声压的变化的，只能感受到一个稳 定的声压，称为有效声压，表达式如下： 见2 ( 2 1 ) 式中t 为周期或是比周期大的多的时间间隔。有效声压简称为声压，即这个见才是 我们通常说的声压，也是通常声压测量仪器测得的声压，它在国际单位制中的单位 是帕斯卡( p a ) 。 与声压不同，声强是个矢量。声强的定义为声波传播过程中空间单位面积上传 输的声功率，它的指向是声传播的方向。当它为正值时表示声能沿波的传播方向前 进，当它为负值时表示声能向波传播的反方向流动，表明存在反射波或是别的声源。 1 0 浙江大学硕士学位论文 s p ( r ，t ) 厂 y 文，f ) i 图2 1 声强的定义 如图2 1 ，声波在介质中传播，设r 方向的r 处有一个垂直于该方向的微元面积 丛，其上作用有声压p ( r ，t ) ，并在a s 上产生作用力f ( r , t ) ： ，驴，) = p ( ，t ) a s ， ( 2 2 ) 其中r 是r 方向的单位向量。在力f ( r ，t ) 的作用下，微元面积s 上的空气质点具有 质点速度u ( r ，t ) ，u ( r ，f ) 与r 方向有一个夹角。由此可得力f ( r ，t ) 对微元面积s 上 的空气质点所作的元功为： a w ( r ，f ) = f ( r ，) u ( r ，f ) = p ( ，t ) a s r u ( r ，f ) = p ( r ，t ) u ( r ，t ) a s ( 2 3 ) 其中，u ( r ，d 是u ( r ，t ) 在r 方向的分量。根据声强的定义，声强是声功率的面积偏导 数，即： ，( ，r ) = 1 0 w r ( r , t ) ( 2 4 ) 把( 2 3 ) 式代入( 2 4 ) 式得： ，( r ，t ) = p ( ，f ) 蚱( ，f ) ( 2 5 ) ( 2 5 ) 式即r 方向的瞬时声强，( ，t ) 的计算式，由此可以得出声强的另一表述 形式：空间中某点某方向的瞬时声强等于该处的瞬时声压与该质点振动速度在声强 方向的投影的乘积。 与有效声压的定义类似，声强定义为瞬时声强的时间平均值，即 ，= b ( 彬) 如，) 10 ( 2 6 ) i 即为声强，它表示声场中任一点的声波强度，等于通过与能流方向垂直的单位面 积的声能量的时间平均值，单位为w m 2 。 2 1 2 分贝( d b ) 声压和声强都是用以1 0 为底的对数标度来度量的，分别称为声压级和声强级， 单位都是分贝( d b ) 。 声压级一般用乞来表示，定义为 l v = 1 0 1 9 簧划- g 譬f 0 ， ，0 上式中，见是待测声压的有效值( 式( 2 1 ) ) ，p o 是基准声压，为频率在1 0 0 0 h z 时， 人耳能够分辨的声压最小值。介质是空气时，该值为2 l o - s p a 。 声强级一般用厶表示，定义为 l ，= i o l g 。 ( 2 8 ) 式中，i 为待测声强( 式( 2 6 ) ) ，厶为基准声强，是在平面声波中和基准声压岛对 应的声强值，厶= 1 0 。1 2w m ：。 值得注意的一点是，平面声波中声压级和声强级在数值上是基本相等的。 2 1 3 频谱和计权频谱 一般实际中的声音不会只含有单一的频率成份，而是包含许多频率成份的声波 的叠加。以频率为横坐标，声压级或声强级为纵坐标的图称为频谱图。频谱图中各 峰值对应的频率就是某种声源造成的，所以频谱图可以为噪声控制提供依据。 由于人耳可听声的频率范围非常广，从2 0 h z 到2 0 0 0 0 h z ，为了方便一般把频 率划分为若干频程，每个频程规定上下限频率值和中心频率值，上下限频率的差值 浙江大学硕士学位论文 称为该频段的宽度，简称频宽。如果频段的上限频率与下限频率之比为2 比1 ，该 频度称为一个频程，其中心频率定义为上下限频率的几何平均值。 目前的声学工程中应用较多的是l 3 倍频程的声谱。简单的说，1 3 倍频程就是 把一个倍频程再分为3 段，使频带的宽度更窄一些。1 3 倍频程的上下限频率z 和z 与中心频率正的关系如下： ，! 一 等= 2 3 ，z = 工z ( 2 9 ) j 1 c 6 1 2 6 0 1 9 9 5 倍频程和分数倍频程滤波器规定了1 3 倍频程的三个频率 参数上下限频率工和石与中心频率z 的具体数值。 由于人耳对声音的主观感受不仅与声强和声压有关，还与频率有直接关系。强 度相等的两个声音，人耳对频率高的更为敏感。为了使声音的测量结果符合人耳特 性，人们提出了计权声级的概念，即把测得的声压或声强值中对人耳敏感的区域加 以增强，对人耳不敏感的区域加以衰减。这种计权后的声级，已不再是客观物理量 的声级( 线性声级) ，而是经过听感修正的声级，称为计权声级。 常用的计权声级有a 、b 、c 三种，分别模拟人耳对5 5 d b 以下低强度噪声、5 5 d b 到8 5 d b 的中等强度噪声和8 5 d b 以上的高强度噪声的频率特性，使测量时接收到的 声信号经计权后，按频率获得不同程度的衰减。近年来研究表明，不论噪声强度多 少，利用a 声级都能较好地反应噪声对人吵闹的主观感觉和人耳听力损伤的影响。 因此，现在基本上都用a 声级作为噪声评价的基本量。国际电工委员会( i e c ) 制 定了a 计权声级的频率响应曲线( 计权曲线) 。 除了a 、b 、c 三种计权，还有d 声级计权网络，这种计权主要用于评价航空 噪声。此外，近年来国际上又出现两种新的计权曲线，e 计权和s i 计权。e 计权是 根据斯蒂文斯( s t e v e n s ) 的响度计算方法作出的，也叫耳朵计权。s i 计权是根据韦 伯斯德尔( w e b s t e r ) 关于噪声的语言干扰评价做出的。 2 2 声强测量的原理和实现方法 从1 2 节介绍的国内外声强测量的技术发展过程不难看出，目前的声强测量方 法可以分为二大类：一类是分别测出声压和质点的振动速度，将两者相乘得到瞬时 声强，这种方法称为p - u 法；另一类是用两个传声器测出相距很近的两个点处的声 浙江大学硕士学位论文 压值，再计算声强，称为p - p 法，又称双传声器法。p - p 法按后处理方法的不同又分 为时域实现和频域实现两种实现形式。 2 2 1p - u 法 1 2 节的图1 6 所示的n e 2 1 6 型声强探头有两对超声波发射器和两个接收器， 可同时发射两个相对的超声波束。当存在音频声波时，两个接收器接收到的信号就 存在相位差，此相位差反应了该音频声波的质点速度，这样就可以把质点的速度测 出来。在探头的中心装有一个声压传感器，同时测出声压，两者相乘即得到瞬时声 强，再对时间积分平均得到声强。 设声波速度为c ，超声波发射器和接收器之间的距离为d ，没有音频声波时超声 波由发射到接收的时间间隔为f 0 ，则有f 0 = 堡。当有音频声波存在时，设质点的振 动速度为u ，两个超声波束由发射到接收的时间间隔分别变为、乞，则 d 2 c - l - u d 岛= 相位差为 却= 蛾【_ 刍u j 匀= q j 弩f _ c z o ， c c + 甜c 一一甜。 式( 2 1 0 ) 中的吼表示超声波束的频率。 当u “c 时，( 2 1 0 ) 式可简写成 彤：2 d c o u ( 2 1 1 ) 由( 2 1 1 ) 式解出质点振动速度 甜= 堕2 d c a ( 2 1 2 )r - ， 代入由式( 2 6 ) 得 法测声强的原理式,p-u j = 亍1r j c 2 碲瓦p ( 2 1 3 ) 按照( 2 1 3 ) 式设计模拟电路即可实现p - u 法测声强。该方法测量的精度会受到风 之类的非声音的空气流动的影响，所以测量时应屏蔽风的干扰。 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 时域p - p 法 由声强的计算式( 2 6 ) 式司知，要想测得声强必须同时得到声压和质点的振动 速度，声压的测量很简单，用一个传声器就可以解决，所以声强测量的难点主要在 于如何测得质点的振动速度。p - u 法是用速度传感器( 如2 2 1 节中的超声波束) 直 接测出质点的振动速度，而p - p 法则是利用声压间接测得质点的振动速度。 1 2 节中的图1 1 所示为丹麦b & k 公司的双传声器声强探头，两个传声器面对 面放置。两传声器a 及b 安装得相距- - d , 段距离，设两传声器的声学中心的连线方 向为x ，当声波沿x 方向行进时，所测出的两个声压以( f ) 及岛o ) 之间存在着梯度。 由流体的欧拉方程可知声压的梯度与质点加速度a 有如下关系【2 4 】： d ：一上肼耐( p )( 2 1 4 )d = 一g r 鲥t p j【z 岛 式中p o 为质点在静止平衡状态的密度，对加速度a 积分即可求得质点的速度： ”( 0 = - i 岛掣研 ( 2 1 5 ) 岛。m 设两传声器声学中心之间的距离为d ，当d 远远小于波长z 时，曼掣可近似的改 写为卫掣，于是上式可改写为 “( f ) = 一币1 【儿o ) 一p a t ) 西( 2 1 6 ) 两传声器之间中点的声压可认为是n ( f ) 及胁( f ) 的平均值 p ( f ) ：p x ( t ) + = _ p s ( t ) ( 2 1 7 ) 则x 方向上的瞬时声强为 ( f ) 2 ，( f ) ( f ) 2 乏【办( f ) + 儿( 明【n ( f ) 一如( f ) 】西 ( 2 1 8 ) 取其对时间的平均就可以得到x 方向的有功声强，即声强测量中所测量的声强。 时域p - p 法就是依据( 2 1 8 ) 式设计模拟电路，对瞬时声强时间平均测得声强。 这种方法是用加、减、积分、乘法电路结合模拟或数字滤波器等硬件电路实现，优 浙江大学硕士学位论文 点是计算速度很快，可以用于实时声强测量，而且可以直接输出质点的振动速度信 号。缺点是模拟电路的设计实现较为复杂，且高精度的模拟电子器件价格昂贵。 下面给出第1 章中图1 2 和图1 3 所示的b & k 公司的两种声强测量