声学测量第7章室内声场测量课件.pptx

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1、声学测量,7.1室内音质评价指标测量7.2扩散体散射系数测量7.3扬声器电声参数测量,第7章 室内声场测量,7.1室内音质评价指标测量,7.1.1室内音质评价指标7.1.2室内音质评价指标测量原理7.1.3脉冲响应的测量要求,7.1.1室内音质评价指标,一系列音质评价指标相继被提出,可以大致将它们分为三类： 1)时间指标。2)能量指标。3)空间指标。,7.1.1室内音质评价指标,1.混响时间2.早期衰减时间3.中心时间4.声压级5.声场力度6.清晰度7.明晰度8.早期侧向反射声能比9.双耳互相关系数,1.混响时间,混响时间的长短是判断封闭声学结构,特别是大型建筑内音质特点的一个重要的依据。混响

2、时间适宜的建筑内,一般认为声音有混响感、丰满而有力。如果混响时间过长,给人的感觉是回声很强,声音的清晰度会受到影响；混响时间过短,则使声音显得干涩、不饱满。因此,对于不同功能的声学结构,在设计时应当选择最符合其功能需要的混响时间。大多数情况下,最佳混响时间的取值范围是0.035s。,1.混响时间,2.早期衰减时间,图7.1.1几种时间指标的定义,3.中心时间,3.中心时间,图7.1.2语言可懂度与中心时间的关系,4.声压级,5.声场力度,6.清晰度,7.明晰度,8.早期侧向反射声能比,8.早期侧向反射声能比,9.双耳互相关系数,9.双耳互相关系数,7.1.2室内音质评价指标测量原理,图7.1.

3、3噪声切断法测量混响时间原理图,7.1.3脉冲响应的测量要求,1.声源2.接收传声器3.主测工具4.测量频率5.室内环境,7.1.3脉冲响应的测量要求,图7.1.4脉冲响应测量原理图,1.声源,图7.1.5十二面体声源,2.接收传声器,图7.1.6人工头,2.接收传声器,3.主测工具,过去,在室内声场测量中,常用模拟信号源激励扬声器,并用电平记录仪、频谱分析仪等设备来记录和分析声场的衰减情况。随着计算机在现代测量技术中的应用,已发展为利用专门的软件作为主测工具,这些软件一般兼具数字信号产生、记录、分析处理和结果输出的功能,能够控制整个测量过程,非常方便实用。这类软件中具代表性的是丹麦的DIRA

4、C、挪威的WinMLS等。,4.测量频率,测量频率一般不应少于以下6个倍频程中心频率：125Hz,250Hz,500Hz,1000Hz,2000Hz,4000Hz。对于那些对音质要求高的场所,如甲级剧场,最好加测倍频程中心频率63Hz和8000Hz。用于噪声控制目的的房间,测量频率不应少于以下18个1/3倍频程中心频率：100Hz,125Hz,160Hz,200Hz,250Hz,315Hz,400Hz,500Hz,630Hz,800Hz,1000Hz,1250Hz,1600Hz,2000Hz,2500Hz,3150Hz,4000Hz,5000Hz。对音质有特殊要求的房间,如广播录音室、电视演播

5、室等,可参照相关广播电影电视混响测试行业规范的频率范围：6310000Hz共24个频段。,5.室内环境,如果是对房间进行音质评价或对声学施工进行验收而进行的测量,房间应处在正常使用状况,即已装修完成,正在使用或已经可以使用。房间中应包括座椅、家具、灯具等设施，门或窗应能正常闭启。如果是在施工期间进行的测量,应在报告中详细描述室内状况,包括施工的阶段、室内放置的器械或物品、洞口是否封闭等。室内背景噪声应满足测量要求。测量时,房间的门窗应该关闭,并控制人员走动和讲话,尽可能降低设备噪声。在测量频率范围内,传声器位置上的背景噪声声压级应比声源产生声压级至少低35dB。由于脉冲反向积分法能提高信噪比,

6、这一数值可放宽到25dB。测量期间如存在偶发噪声,每次测量后应立即观察衰变曲线,确定衰减是否受到噪声影响。如果影响显著,应舍弃这期间测量的结果。,7.2扩散体散射系数测量,7.2扩散体散射系数测量,7.2扩散体散射系数测量,图7.2.1M.Vorlnder实验模型,7.2扩散体散射系数测量,7.3扬声器电声参数测量,7.3.1扬声器和扬声器系统电声参数7.3.2扬声器和扬声器系统的测量方法,7.3.1扬声器和扬声器系统电声参数,1.额定阻抗和阻抗曲线2.频率响应3.指向性4.灵敏度(级)5.有效频率范围6.扬声器共振频率7.失真8.声功率9.效率10.品质因数11.电功率,1.额定阻抗和阻抗曲

7、线,为确定信号源加给扬声器(或扬声器系统)的电功率,常用一个纯电阻来替代扬声器(或扬声器系统)作为负载,该纯阻即为扬声器(或扬声器系统)的额定阻抗,其数值由制造厂规定,是用于计算和馈给扬声器电功率的基准。通常,该值为额定频率范围内可得到最大功率的阻抗模的最低值,或不高于此阻抗模最低值的20的任何值。扬声器阻抗随频率变化的特性称为扬声器阻抗特性,对应的曲线称为扬声器阻抗曲线。从阻抗曲线上可以测量扬声器的谐振频率、振动系统的Q值、最佳匹配的阻抗以及高频感抗部分的变化情况,这对扬声器和信号源的匹配、扬声器的低频设计以及扬声器箱的设计等都是很重要的参数。,2.频率响应,在自由场条件下,相对于参考轴和参

8、考点的规定位置上,以恒压法或恒流法测得扬声器的输出声压级随频率的变化,称之为扬声器的频率响应。对应的曲线为频率响应曲线,简称频响曲线。频率响应是扬声器的重要性能参数之一,它反映扬声器对不同频率的电信号转换成声辐射的能力。根据不同用途来选用扬声器时,首先要考虑的就是频率响应以及与其相关的有效频率范围和不均匀度。例如，对高保真扬声器,则要求频率响应平直,频率范围宽,不均匀度小；对一般收音机和电视机用的扬声器,因其低频受箱体的限制,高频受电噪声的影响,频率响应不要求太宽。,3.指向性,扬声器指向性图是指在自由场条件下,在规定的平面上,对某规定的频率,扬声器辐射声波的声压级随辐射方向变化的曲线。指向性

9、因数是指在自出场条件下,在某一给定频率或频带内,在选定的参考轴上某点所测得的声强与被测扬声器辐射相同功率的点声源,在相同的测试点上所产生的声强之比。一般用Q(f)表示其指向性因数。指向性指数是指用分贝表示的指向性因数,表达式为Dt(f)=10lgQ(f),单位为dB。指向性频率特性是指在若干规定的声波辐射方向上,测得的扬声器频响曲线族。此外,也可用等声压级曲线来表征扬声器指向性持性,即以频率f为横坐标,以与扬声器参考轴的夹角为纵坐标,绘出等声压级的曲线图。,4.灵敏度(级),在规定的频率范围内,在自由场条件下,相当于馈给扬声器额定阻抗上1W粉红噪声信号的电压时,在其参考轴上距离参考点1m处产生

10、的声压,称为扬声器特性灵敏度,简称扬声器灵敏度,单位为Pa/(Wm)。当用分贝来表示扬声器特性灵敏度时,则称为特性灵敏度级,单位为dB/(Wm)。,5.有效频率范围,在扬声器的频率响应曲线上,比在灵敏度最大区域的一个倍频程带宽的平均灵敏度低某一规定值(通常为10dB)处划一水平直线,与频率响应曲线相交的上下频率所包围的频率范围,称为扬声器有效频率范围。相交的上下频率点即为有效频率上下限。用纯音信号测量频率响应曲线时,有的也规定在扬声器的频率响应曲线上声压级最大点起下降某一规定值(通常为10dB)处划一条水平线,与频响曲线相交的上下频率所包围的频率范围,即为扬声器的有效频率范围。若规定的下降分贝

11、值一样的活,后者的要求比前者更高些。,6.扬声器共振频率,扬声器共振频率也称扬声器谐振频率,是指在阻抗曲线上,扬声器电阻抗模值随频率上升的第一个峰值所对应的频率。,7.失真,1)谐波失真。2)互调失真。3)差频失真。4)瞬态失真。,1)谐波失真。,由于扬声器振幅非线性引起的一种失真。当扬声器输入某一频率的正弦电信号时,扬声器输出声信号中除了原输入之基波信号外,还出现有整数倍于基波频率的信号,即谐波,而这种现象就是谐波失真。谐波失真大小通常用这些谐波声压的有效值与总声压的有效值之比表示。,2)互调失真。,振幅非线性的一种表现形式。当用只含f1和f2的复合信号源策动扬声器时,在其声输出中除了原信号

12、外,还出现调制分量,即出现频率为f2f1和f22f1的互调边带,称为互调失真。,3)差频失真。,这也是振幅非线性的一种表现形式。当扬声器在额定频率范围内,加以振幅相等的两个频率f1和f2信号时,在其声输出中除了原信号外,还会出现f2-f1、2f2-f1和2f1-f2的信号,称为差频失真。,4)瞬态失真。,由于扬声器振动系统跟不上快速变化的电信号而引起输出波形的失真。扬声器的瞬态失真与它的频率响应、振膜的阻尼以及相位特性等有关。目前谐波失真的测量技术较为完善,是扬声器标准中主要考核的一种失真。,8.声功率,在以f为中心频率的某一频带内的电信号馈给扬声器时,所辐射的总声功率即为扬声器的声功率。,9

13、.效率,在以f为中心频率的某一频带内,扬声器所辐射的声功率与馈给它的电功率之比,称为扬声器效率。,10.品质因数,电动式扬声器(或闭箱扬声器系统)的品质因数Q定义为在共振频率点处声阻抗的惯性抗(或弹性抗)与纯阻之比。这个定义不宜推广应用到其他类型的扬声器中。电动式扬声器的品质因数Q值的大小和频率响应、瞬态失真有密切关系。Q值太大,纸盆扬声器低频谐振频率f0处峰值太高,出现一尖峰,低频响应变差,而且扬声器的瞬态失真增大。适当减小可使低频响应平直展宽,而瞬态失真减小。一般Q值取0.30.45,且视不同用途而定。如开口音箱比封闭音相对Q值的选用可以低一些。,11.电功率,1)最大噪声功率是用最大噪声

14、电压的平方与额定阻抗的比值所表示的电功率。2)长期最大功率是用长期最大电压的平方与额定阻抗的比值所表示的电功率。3)短期最大功率是用短期最大电压的平方与额定阻抗的比值所表示的功率。4)最大正弦功率是用额定最大正弦电压的平方与额定阻抗的比值所表示的功率。,7.3.2扬声器和扬声器系统的测量方法,1.测量条件2.额定阻抗和阻抗曲线3.频率响应测量4.指向性特性测量5.特性灵敏度(级)测量6.有效频率范围测量7.共振频率测量8.失真测量9.声功率测量10.效率测量11.品质因数测量,7.3.2扬声器和扬声器系统的测量方法,12.输入电功率测量,1.测量条件,(1)测试声场(2)测量时有关条件的规定(

15、3)测试距离扬声器电声性能的测试距离是指扬声器参考点到测量传声器受声面之间的距离。(4)测试信号,(1)测试声场,1)自由声场。2)半空间自由声场。3)混响声场。,1)自由声场。,扬声器电声性能测量需要在自由声场条件下进行,以避免反射声和环境噪声对测量结果的影响。全消声室可以满足这种情况。,图7.3.1半空间自由声场,2)半空间自由声场。,3)混响声场。,用混响法测量扬声器声功率时,需要在混响声场中测定,混响室可满足此类需要。,(2)测量时有关条件的规定,1)障板。2)半空间自由场规定。,1)障板。,图7.3.2标准障板尺寸及结构,2)半空间自由场规定。,为了消除采用有限尺寸的标准障板所产生的

16、缺点,IEC标准推出采用半空间自由场的条件来测量扬声器单元的电声性能,这实际上是一种无限大障板法,其结构和要求如图7.3.1所示。GB 93961996中也已推荐了这种方法,但这种方法由于需要建造半空间自由场消声室,成本很高。,(3)测试距离,(4)测试信号,1)正弦信号，是指瞬时电压随时间作正弦变化的信号,通常要求信号频率从20Hz到20kHz,可连续变化,周而复始。2)啭音，是指频率在某一个中心值附近作周期变化的声音,常用作测量混响时间的信号源，即它的频率能在f0-f到f0+f之间连续变化,f0称中心频率,f为频率调制幅度,由下式决定3)白噪声，是一种无规噪声,用固定频率带宽测量时,频谱连

17、续并且均匀。4)粉红噪声，与白噪声一样是一种无规噪声,用正比于频率的频带宽度测量时,频谱连续并且均匀。5)宽带噪声信号，是在扬声器性能测量时,规定使用峰值因数为34之间的粉红噪声或白噪声信号。,(4)测试信号,6)窄带噪声信号，是在扬声器性能测量时,规定使用相对带宽为1/3oct的粉红噪声信号。7)脉冲声，是指持续时间短暂的声信号,如枪炮声、撞击声等。8)淬发声，也称正弦波列或正弦波群,它是一系列有间断的正弦波列,每个波列包含一定数的正弦波(一般10个以上),常用来测量电声器件的瞬态失真。,2.额定阻抗和阻抗曲线,(1)额定阻抗一般优选替代法,测量线路如图7.3.3所示。(2)阻抗曲线测量扬声

18、器阻抗曲线,可用恒压法和恒流法。,图7.3.3扬声器阻抗测量,(1)额定阻抗,(2)阻抗曲线,1)恒流法。2)恒压法。,1)恒流法。,图7.3.4恒流法测量扬声器阻抗曲线,2)恒压法。,2)恒压法。,图7.3.5恒压法测量扬声器阻抗曲线注：值应小于或等于扬声器额定阻抗的1/10。,3.频率响应测量,(1)正弦信号法这是测量扬声器频率响应最常用的方法,其测量框图如图7.3.6所示。(2)1/3oct窄带噪声信号法频率响应1/3oct窄带带噪声信号法测量线路如图7.3.7所示。,(1)正弦信号法,图7.3.6频率响应正弦信号法测量,(2)1/3oct窄带噪声信号法,图7.3.7频率响应1/3oct

19、窄带噪声法测量,4.指向性特性测量,(1)指向性图案测量(2)指向性频率响应测量扬声器(或扬声器系统)的指向性频率响应测量可分为正弦信号法和1/3oct带噪声信号法两种。,(1)指向性图案测量,1)正弦信号法测量指向性图案。2)1/3oct窄带噪声信号法测量指向性图案。,1)正弦信号法测量指向性图案。,图7.3.8正弦信号法测量指向性图案,(2)指向性频率响应测量,1)正弦信号指向性频率响应测量法。2)1/3oct窄带噪声信号指向性频率响应测量法。3)指向性因数及指数测量。,(2)指向性频率响应测量,5.特性灵敏度(级)测量,图7.3.9扬声器特性灵敏度测量,6.有效频率范围测量,按正弦信号法

20、测的频响曲线上,在灵敏度最大的区域内,取一个倍频程带宽的平均声压级,在下降10dB处划一条平行于横坐标的直线,交于频响曲线上的上频率点f2和下频率点f1,则f2f1即为扬声器的有效频率范围。但对小于1/9oct带宽的谷值可略去不计。按1/3oct窄带噪声信号法测得的频响曲线上,用上述同样方法可获得f2f1,为扬声器的有效频率范围,不过这时小于1/6oct带宽的谷值可略去不计。,7.共振频率测量,图7.3.10共振频率测量注：值应小于扬声器额定阻抗的1/10。,8.失真测量,(1)谐波失真测量扬声器谐波失真测量可分为正弦信号测量法和窄带噪声信号测量法。(2)互调失真测量互调失真,IEC国际标准中

21、和我国国标中推荐n次调制失真法测量，n2或3。(3)瞬态失真瞬态失真的测量线路如图7.3.14所示。,(1)谐波失真测量,1)正弦信号测量法。2)窄带噪声信号测量法。,1)正弦信号测量法。,图7.3.11正弦信号失真曲线法测量,1)正弦信号测量法。,1)正弦信号测量法。,图7.3.12正弦信号扫描点测量失真,2)窄带噪声信号测量法。,(2)互调失真,图7.3.13互调失真测量,(3)瞬态失真,图7.3.14瞬态失真测量,9.声功率测量,(1)自由场法(2)扩散场法扩散场法的测量线路如图7.3.15所示。,(1)自由场法,(2)扩散场法,图7.3.15扩散场法测量扬声器功率,10.效率测量,11

22、.品质因数测量,图7.3.16扬声器阻抗曲线,11.品质因数测量,12.输入电功率测量,(1)最大噪声功率测量测量最大噪声功率时,对全频带扬声器或扬声器系统可按 测试线路进行,对带有高频分频器的高频扬声器可按图7.3.18进行。(2)长期最大功率测量扬声器长期最大功率测量线路同图7.3.17或图7.3.18,但这时馈给扬声器的模拟节目信号电压为所规定的长期最大功率所对应的长期最大电压,且信号持续时间为1min,间隔为2min,重复10次,扬声器应不产生永久性损坏,此时的功率即为扬声器的长期最大功率。,12.输入电功率测量,(3)短期最大功率测量扬声器短期最大功率测试线路同图7.3.17或图7.3.18,但这时馈给扬声器的模拟节目信号电压为所规定的短期最大功率所对应的短期最大电压,信号持续时间为1s,间隔为60s,重复60次,而扬声器应不产生永久性损坏,这时的功率即为扬声器短期最大功率。,图7.3.17全频带扬声器或扬声器系统噪声功率测量,12.输入电功率测量,图7.3.18带有分频器的高频扬声器噪声功率测量,12.输入电功率测量,