專利名稱：平面二維矢量聲強(qiáng)的測量方法及測量頻帶可調(diào)的測量探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲音強(qiáng)度的測量方法及測量探頭。
背景技術(shù)：
目前常用的聲強(qiáng)測量方法是雙傳聲器互譜聲強(qiáng)測量法，通過兩個(gè)相距一定間距的 傳聲器測量測點(diǎn)處的聲壓，從而獲取某一個(gè)方向的聲強(qiáng)量。 由于聲強(qiáng)是矢量，既可以確定聲音在空間傳播的大小又可確定其方向，因而測量 空間內(nèi)的三維矢量聲強(qiáng)，可以有效地解決噪聲源的定位、聲源排隊(duì)和空間聲能流分布等問 題。獲得聲強(qiáng)矢量的關(guān)鍵是測得X、Y、Z三個(gè)方向的聲強(qiáng)分量，這樣才能確定其在空間的大 小與方向。已有的三維聲強(qiáng)矢量的測量包括在早期，用一個(gè)一維的聲強(qiáng)探頭在同一點(diǎn)上對 X、 Y、 Z三個(gè)方向分別進(jìn)行測量來獲得，具體操作需要分三次完成采樣，測量過程耗時(shí)長，不 易保證空間定位精度，只適用于穩(wěn)態(tài)聲場。 日本的Nittobo聲學(xué)儀器公司研制出了一種MT ver2.0聲強(qiáng)探頭的旋轉(zhuǎn)裝置，在 其上裝上B&K4181和4178型號聲強(qiáng)探頭，沿著兩個(gè)緊密結(jié)合的圓形導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)探頭就可以測 量出X， 、Y和Z三個(gè)方向的聲強(qiáng)矢量。丹麥的G. R. A. S公司生產(chǎn)的50VX型號X-Y-Z聲強(qiáng)探 頭是通過手柄上兩個(gè)機(jī)械推鈕來控制旋轉(zhuǎn)頭，使其轉(zhuǎn)到三個(gè)相互垂直的方向，從而分別測 量三個(gè)方向的聲強(qiáng)。這兩種測量方法相對單個(gè)聲強(qiáng)探頭而言，測量要方便些，但測量時(shí)間以 及空間定位精度誤差等并沒有太大的改進(jìn)。 聲強(qiáng)是矢量，對于平面內(nèi)的聲源，需要測量平面二維方向上的聲強(qiáng)分量，方可進(jìn)行 噪聲源的識別和聲源定位等問題。目前，在平面二維矢量聲強(qiáng)測量方面，國內(nèi)外研究的相對 較少，國內(nèi)還沒有成型的二維矢量聲強(qiáng)測量系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種平面二維矢量聲強(qiáng)的測量方法及測量頻帶可調(diào)的測量 探頭，它克服了現(xiàn)有的方法需要分多次完成采樣，測量過程耗時(shí)長，不易保證空間定位精 度，只適用于穩(wěn)態(tài)聲場的缺陷。 平面二維矢量聲強(qiáng)的測量方法包括下述步驟一、構(gòu)造用于平面矢量聲強(qiáng)測量的 正三角形(ABC)，以其中心點(diǎn)為測量點(diǎn)；所述正三角形的中心點(diǎn)(0)為原點(diǎn)確立測量的直角 坐標(biāo)系XOY， X軸方向?yàn)檫^三角形中心且與底邊BC平行的方向，Y軸方向?yàn)檫B接中心與頂點(diǎn) A的方向；二、測量位于平面正三角形三個(gè)頂點(diǎn)位置處的聲壓，計(jì)算正三角形中心點(diǎn)處的聲 壓P。及連接各頂點(diǎn)和中心的朝著中心方向的聲質(zhì)點(diǎn)速度Ui(i = 1，2，3);三、建立測量點(diǎn)處 平面二維方向上的聲質(zhì)點(diǎn)速度U"Uy與正三角各頂點(diǎn)處聲質(zhì)點(diǎn)速度Ui(i = 1，2，3)之間數(shù)
學(xué)模型為 t/, = 士(〃2 _〃3); uy == u2+u3 四、根據(jù)互譜聲強(qiáng)法原理I = Re(P* U)，計(jì)算得出平面二維方向上的聲強(qiáng)及二維矢量聲強(qiáng) <formula>formula see original document page 4</formula> 測量頻帶可調(diào)的測量探頭，它包括三個(gè)傳聲器，它還包括中心桿、中心滑套、三個(gè)撐桿、三個(gè)前置放大器、三個(gè)夾緊套、三個(gè)鎖緊螺母、六個(gè)支桿和鎖固螺母，每一個(gè)鎖緊螺母旋合在一個(gè)夾緊套的端部上并把前置放大器夾緊，傳聲器裝設(shè)在前置放大器的頂端且位于鎖緊螺母外，前置放大器的信號輸入端連接傳聲器的信號輸出端，每個(gè)支桿的一端鉸接在一個(gè)夾緊套的外圓表面上，每個(gè)支桿的另一端鉸接在中心桿的外圓表面上，每兩個(gè)支桿分別與中心桿和一個(gè)夾緊套構(gòu)成一個(gè)平行四連桿結(jié)構(gòu)，三組平行四連桿結(jié)構(gòu)沿中心桿的圓周方向均勻分布且三個(gè)傳聲器所處的平面垂直于中心桿，每個(gè)撐桿設(shè)置在一組平行四連桿結(jié)構(gòu)的下方，每個(gè)撐桿的一端鉸接在中心滑套上，每個(gè)撐桿的另一端鉸接在一個(gè)支桿的桿身上，中心滑套套在中心桿上，鎖固螺母旋合在中心桿外圓表面上所開的外螺紋上并且位于中心滑套的下端處。 本發(fā)明的裝置向上或下移動(dòng)中心滑套4就能通過撐桿5帶動(dòng)平行四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)
動(dòng)，從而改變傳聲器之間的距離，從而調(diào)整測量的頻帶。本發(fā)明的方法和裝置一次采樣就能
完成測量工作，克服了現(xiàn)有的方法需要分兩次完成采樣，測量過程耗時(shí)長，不易保證空間定
位精度，只適用于穩(wěn)態(tài)聲場的缺陷。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可保證定位精度、快速簡便、通過一次
測量即可獲得平面聲場中兩個(gè)方向的聲強(qiáng)分量。 本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在 1、本發(fā)明通過一次測量即可獲得平面聲場中測點(diǎn)處兩個(gè)方向的聲強(qiáng)分量，保證了測量的定位精度，簡化了測量過程，節(jié)省了測量時(shí)間； 2、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)X、Y兩個(gè)方向的矢量聲強(qiáng)分量的測量，聲源頻率在4600Hz以下，計(jì)算所得X、Y方向和總聲強(qiáng)理論誤差均不超過1. 5dB，能夠滿足工程上的需求；
3、本發(fā)明二維矢量聲強(qiáng)探頭結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，且實(shí)現(xiàn)了測量頻帶可調(diào)的功能，可廣泛用于工程領(lǐng)域中平面二維矢量聲強(qiáng)測量及噪聲源定位。
圖1為本發(fā)明測量方法的測量原理及傳聲器位置分布示意圖。圖2(a)為本發(fā)明測量頻帶可調(diào)的測量探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(b)為圖2(a)的俯視圖。圖3(a)至圖3(d)為利用本發(fā)明方法和裝置，對單極子聲場進(jìn)行的數(shù)值仿真結(jié)果與理論計(jì)算值的比較及各方向誤差曲線。其中圖3(a)為x方向聲強(qiáng)級仿真值和理論值；圖3(b)為y方向聲強(qiáng)級仿真值和理論值；圖3(c)為總聲強(qiáng)級仿真值和理論值；圖3(d)為各方向聲強(qiáng)級誤差曲線。圖4(a)至圖4(f)為利用本發(fā)明方法和裝置，對單極子聲場進(jìn)行聲源定位時(shí)各測點(diǎn)的定位誤差隨頻率的變化關(guān)系。其中圖4(a)點(diǎn)(O，l)處測得的定位誤差隨頻率的變化關(guān)系；圖4(b)點(diǎn)(±0. l，l)處測得的定位誤差隨頻率的變化關(guān)系;圖4(c)點(diǎn)(±0. 58， 1)處測得的定位誤差隨頻率的變化關(guān)系；圖4(d)點(diǎn)(±0.6,1)處測得的定位誤差隨頻率的變化關(guān)系；圖4(e)點(diǎn)(士l，l)處測得的定位誤差隨頻率的變化關(guān)系；圖4(f)點(diǎn)(±2，1)處測得的定位誤差隨頻率的變化關(guān)系'
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一 下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。平面二維矢量聲強(qiáng)的測量方法包括下述步驟一、構(gòu)造用于平面矢量聲強(qiáng)測量的正三角形(ABC)，以其中心點(diǎn)為測量點(diǎn)；所述正三角形的中心點(diǎn)(0)為原點(diǎn)確立測量的直角坐標(biāo)系XOY，X軸方向?yàn)檫^三角形中心且與底邊BC平行的方向，Y軸方向連接中心與頂點(diǎn)A的方向；二、測量位于平面正三角形三個(gè)頂點(diǎn)位置處的聲壓，計(jì)算正三角形中心點(diǎn)處的聲壓P。及連接各頂點(diǎn)和中心的朝著中心方向的聲質(zhì)點(diǎn)速度"(1 = 1，2，3);三、建立測量點(diǎn)處平面二維方向上的聲質(zhì)點(diǎn)速度U"Uy與正三角各頂點(diǎn)處聲質(zhì)點(diǎn)速度Ui(i = 1，2，3)之間數(shù)學(xué)模型為1 "x = : ("2 - "3); uy = -u丄 四、根據(jù)互譜聲強(qiáng)法原理I :
矢量聲強(qiáng)
1 1
Re(P* U)，計(jì)算得出平面二維方向上的聲強(qiáng)及二維 A =
3 ，d
Im(2G23+G13
Im(G21 +G31)
"v^2+《。
本實(shí)施方式中二維聲強(qiáng)矢量的推導(dǎo)過程如下正三角形中心點(diǎn)處的聲壓為三個(gè)頂點(diǎn)處聲壓的平均值，即
S +尸2 +尸3
(1)
式中，Pi(i = 1，2，3)為第i個(gè)頂點(diǎn)處的聲壓。連接各頂點(diǎn)和中心朝著中心方向的聲質(zhì)點(diǎn)速度
各頂點(diǎn)聲壓Pi的線性近似表示為
f 一A
(/=1， 2， 3)
1，2，3)，由平均聲壓P。和
(2)
j，a
式中，j為虛數(shù)單位，"為圓頻率，P為聲介質(zhì)密度，a為中心與頂點(diǎn)之間的距離'由正三角形幾何關(guān)系，可以得到Ui與U"Uy之間的關(guān)系如下
i
K =，R +、
22 2少
(3)
t/，=.
2 2，
式中，Ux、Uy分別為中心點(diǎn)處的速度在x， y方向上分j
對以上各式聯(lián)立求解，可得U,、Uy分別為
(4)
u。+u,
(5)
5
根據(jù)互譜聲強(qiáng)法原理，中心點(diǎn)處的聲強(qiáng)在X方向分量的表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，d為正三角形的邊長，為第i個(gè)頂點(diǎn)與第j個(gè)頂點(diǎn)處聲壓的互譜，互譜由聲壓與聲質(zhì)點(diǎn)速度之間的互相關(guān)函數(shù)得到，它表示平均聲強(qiáng)的頻率分布。Im表示取虛部。
同理，可得中心點(diǎn)處聲強(qiáng)在y方向的分量為 L=7J^Im(G21+G31) (8) 由此可得中心點(diǎn)處的二維矢量聲強(qiáng)幅值為 /二^7J77J (9) 其聲強(qiáng)測量的誤差函數(shù)可定義聲強(qiáng)測量值I與其理論值I。的比 E = 101og(I/I0) (10) 對本實(shí)施方式的分析和檢驗(yàn)如下 參見圖3(a)至圖3(d)和圖4(a)至圖4(f)，采用單極子聲源驗(yàn)證模型的正確性。
由單極子聲源發(fā)出的波為球面聲波，球面聲場中瞬時(shí)聲壓的表達(dá)式為
P = A/re""*—kr) (12) 式中，A/r為聲壓幅值，r為測量點(diǎn)與單極子聲源之間的距離。
假設(shè)聲源在平面直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，在(l，l)點(diǎn)測量所得平面二維聲場中x，y方向上的聲強(qiáng)級和總聲強(qiáng)級的計(jì)算結(jié)果與理論值的比較及誤差分布分別如圖3(a)至圖3 (d)所示。結(jié)果表明，在自由聲場條件下，測量所得的平面二維聲強(qiáng)的計(jì)算值與理論值是比較接近的。x方向聲強(qiáng)分量在頻率為4800Hz以下時(shí)，其聲強(qiáng)級誤差在1.5dB之內(nèi)；y方向聲強(qiáng)分量在頻率為4600Hz以下時(shí)，其聲強(qiáng)級誤差在1. 5dB之內(nèi)；總聲強(qiáng)矢量在頻率為4700Hz以下時(shí)，其聲強(qiáng)級誤差在1. 5dB之內(nèi)。可見，此二維聲強(qiáng)探頭能夠有效地測量出聲場的二維矢量聲強(qiáng)，低頻情況下誤差非常小，隨著頻率的增大誤差逐漸增加。頻率在4600Hz以下，計(jì)算所得X、 Y方向和總聲強(qiáng)理論誤差均不超過1. 5dB，能夠滿足工程上的需求。
將聲源放在平面直角坐標(biāo)的原點(diǎn)(0，0)處，為了顯示各個(gè)位置的定位誤差，在距離x軸1.0(m)的直線上劃分lx21個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)陣，從點(diǎn)陣的各個(gè)點(diǎn)分別測量定位誤差。在點(diǎn)(0，1)、點(diǎn)(士0.1，1)、點(diǎn)(士0.58，1)、點(diǎn)(士0.6，1)、點(diǎn)(士1，1)、點(diǎn)(±2，1)處測得的定位誤差隨頻率的變化關(guān)系，如圖4(a)至圖4(f)所示。結(jié)果表明，測量點(diǎn)到y(tǒng)軸的距離小于0. 58m時(shí)，測量誤差隨著頻率的增加逐漸增大；當(dāng)測量點(diǎn)與y軸的距離大于0. 6m時(shí)，測量誤差先隨頻率的增加而減小，在某一個(gè)頻率下達(dá)到最小，如(±0.6,1)點(diǎn)處頻率在200Hz左右時(shí)，定位誤差最小，之后隨著頻率的增加測量誤差逐漸增大。不同的測量點(diǎn)處定位誤差達(dá)到最小值時(shí)所對應(yīng)的頻率是不同的。頻率在1600Hz以下時(shí)，各點(diǎn)測得的定位誤差均小于0. Olm，能夠滿足定位精度要求。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖2(a)和圖2(b)具體說明本實(shí)施方式。它包括三個(gè)傳聲器11，它還包括中心桿3、中心滑套4、三個(gè)撐桿5、三個(gè)前置放大器6、三個(gè)夾緊套7、三
6個(gè)鎖緊螺母9、六個(gè)支桿8和鎖固螺母2，每一個(gè)鎖緊螺母9旋合在一個(gè)夾緊套7的端部上并把前置放大器6夾緊，傳聲器11裝設(shè)在前置放大器6的上端且位于鎖緊螺母9夕卜，前置放大器6的信號輸入端連接傳聲器11的信號輸出端，每個(gè)支桿8的一端鉸接在一個(gè)夾緊套7的外圓表面上，每個(gè)支桿8的另一端鉸接在中心桿3的外圓表面上，每兩個(gè)支桿8分別與中心桿3和一個(gè)夾緊套7構(gòu)成一個(gè)平行四連桿結(jié)構(gòu)，三組平行四連桿結(jié)構(gòu)沿中心桿3的圓周方向均勻分布且三個(gè)傳聲器11所處的平面垂直于中心桿3，每個(gè)撐桿5設(shè)置在一組平行四連桿結(jié)構(gòu)的下方，每個(gè)撐桿5的一端鉸接在中心滑套4上，每個(gè)撐桿5的另一端鉸接在一個(gè)支桿8的桿身上，中心滑套4套在中心桿3上，鎖固螺母2旋合在中心桿3外圓表面上所開的外螺紋上并且位于中心滑套4的下端處。 本實(shí)施方式的三個(gè)傳聲器分別放置在平面正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處，各傳聲器軸線相互平行。探頭結(jié)構(gòu)中利用了曲柄機(jī)構(gòu)和平行四邊形的位置保持原理，可以方便地調(diào)節(jié)傳聲器間距，以適應(yīng)不同的測量頻率。運(yùn)動(dòng)過程中的微小誤差，可以通過鎖緊螺母9和夾緊套7來調(diào)節(jié)。為了方便測量和計(jì)算，在保證一定測量精度的前提下，可以確定幾個(gè)基本間距以及各自適用的頻率范圍，并在中心桿上刻上刻度以對應(yīng)。
具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖2(a)和圖2(b)具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式二的不同點(diǎn)是它還包括中心架IO，所述中心架10為套體，中心架固定在中心桿3上且六個(gè)支桿8的另一端鉸接在中心架10的外圓表面上。如此設(shè)置，取消了六個(gè)支桿8與中心桿3的鉸接關(guān)系，加工過程更方便。
權(quán)利要求
平面二維矢量聲強(qiáng)的測量方法，其特征在于包括下述步驟一、構(gòu)造用于平面矢量聲強(qiáng)測量的正三角形(ABC)，以其中心點(diǎn)為測量點(diǎn)；所述正三角形的中心點(diǎn)(O)為原點(diǎn)確立測量的直角坐標(biāo)系XOY，X軸方向?yàn)檫^三角形中心且與底邊BC平行的方向，Y軸方向連接中心與頂點(diǎn)A的方向；二、測量位于平面正三角形三個(gè)頂點(diǎn)位置處的聲壓，計(jì)算正三角形中心點(diǎn)處的聲壓P0及連接各頂點(diǎn)和中心的朝著中心方向的聲質(zhì)點(diǎn)速度Ui(i＝1，2，3)；三、建立測量點(diǎn)處平面二維方向上的聲質(zhì)點(diǎn)速度Ux、Uy與正三角各頂點(diǎn)處聲質(zhì)點(diǎn)速度Ui(i＝1，2，3)之間數(shù)學(xué)模型為 <mrow><msub> <mi>U</mi> <mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msqrt><mn>3</mn> </msqrt></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>U</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>U</mi><mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>Uy＝-U1＝U2+U3四、根據(jù)互譜聲強(qiáng)法原理I＝Re(P*·U)，計(jì)算得出平面二維方向上的聲強(qiáng)及二維矢量聲強(qiáng) <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>3</mn></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mi>ωρd</mi></mfrac><mi>Im</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub><mi>G</mi><mn>23</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>G</mi><mn>13</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>G</mi><mn>12</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msqrt><mn>3</mn> </msqrt></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mi>ωρd</mi></mfrac><mi>Im</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>G</mi><mn>21</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>G</mi><mn>31</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><msqrt> <msubsup><mi>I</mi><mi>x</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup><mi>I</mi><mi>y</mi><mn>2</mn> </msubsup></msqrt><mo>.</mo> </mrow>
2. 測量頻帶可調(diào)的測量探頭，它包括三個(gè)傳聲器(ll)，其特征在于它還包括中心桿 (3)、中心滑套(4)、三個(gè)撐桿(5)、三個(gè)前置放大器(6)、三個(gè)夾緊套(7)、三個(gè)鎖緊螺母(9)、 六個(gè)支桿(8)和鎖固螺母(2)，每一個(gè)鎖緊螺母(9)旋合在一個(gè)夾緊套(7)的端部上并把 前置放大器(6)夾緊，傳聲器(11)裝設(shè)在前置放大器(6)的上端且位于鎖緊螺母(9)夕卜， 前置放大器(6)的信號輸入端連接傳聲器(11)的信號輸出端，每個(gè)支桿(8)的一端鉸接在 一個(gè)夾緊套(7)的外圓表面上，每個(gè)支桿(8)的另一端鉸接在中心桿(3)的外圓表面上，每 兩個(gè)支桿(8)分別與中心桿(3)和一個(gè)夾緊套(7)構(gòu)成一個(gè)平行四連桿結(jié)構(gòu)，三組平行四 連桿結(jié)構(gòu)沿中心桿(3)的圓周方向均勻分布且三個(gè)傳聲器(11)所處的平面垂直于中心桿 (3)，每個(gè)撐桿(5)設(shè)置在一組平行四連桿結(jié)構(gòu)的下方，每個(gè)撐桿(5)的一端鉸接在中心滑 套(4)上，每個(gè)撐桿(5)的另一端鉸接在一個(gè)支桿(8)的桿身上，中心滑套(4)套在中心桿 (3)上，鎖固螺母(2)旋合在中心桿(3)外圓表面上所開的外螺紋上并且位于中心滑套(4) 的下端處。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量頻帶可調(diào)的測量探頭，其特征在于它還包括中心架 (IO)，所述中心架(10)為套體，中心架固定在中心桿(3)上且六個(gè)支桿(8)的另一端鉸接 在中心架(10)的外圓表面上。
全文摘要
平面二維矢量聲強(qiáng)的測量方法及測量頻帶可調(diào)的測量探頭，本發(fā)明涉及聲音強(qiáng)度的測量方法及測量探頭。它克服了現(xiàn)有技術(shù)需要分多次完成采樣，測量過程耗時(shí)長，不易保證空間定位精度，只適用于穩(wěn)態(tài)聲場的缺陷。方法為構(gòu)造用于平面矢量聲強(qiáng)測量的正三角形，以其中心點(diǎn)為測量點(diǎn)；測量位于平面正三角形三個(gè)頂點(diǎn)位置處的聲壓，建立測量點(diǎn)處平面二維方向上的聲質(zhì)點(diǎn)速度與正三角各頂點(diǎn)處聲質(zhì)點(diǎn)速度之間數(shù)學(xué)模型，根據(jù)互譜聲強(qiáng)法計(jì)算得出平面二維矢量聲強(qiáng)。測量探頭由位于平面正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處的三個(gè)傳聲器構(gòu)成，各傳聲器軸線相互平行。探頭結(jié)構(gòu)中利用平行四連桿調(diào)節(jié)傳聲器間距，以適應(yīng)不同的測量頻率。用于工程領(lǐng)域中對平面噪聲源的識別和聲源定位。
文檔編號G01H5/00GK101782644SQ20101010945
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者周廣林, 郭秀艷 申請人:黑龍江科技學(xué)院