混响水池中瞬态声源特性的测量方法与流程

本发明属于声学测量研究领域，具体涉及混响水池中瞬态声源特性的测量方法。

背景技术：

混响场的应用起源于空气声学中的混响室，在测量声学材料的吸声系数、建筑物的声传递损失、声源的辐射声功率中得到广泛应用，混响水池还可用于换能器校准。混响水池中的实验条件和测量方法与混响室中的有很大的不同，混响水池声场更不均匀，测量时需要全空间采集，并用空间技术消除边界的干涉影响。

水下目标稳态辐射噪声级越来越低给检测与测量带来了极大的困难。瞬态声日益成为水下目标的主要暴露源之一，它们的持续时间通常都在毫秒级。通常对瞬态声的检测和测量都在自由场进行，测量其直达声，然而在实际外场中无法达到自由场条件，测量得到的结果是经过信道界面调制的，且受环境影响外场测量重复性差；消声水池又受到吸声材料低频应用限制，且实验条件及测试成本高。目前对瞬态声的研究停留在检测判断信号有无和提取。

对于稳态声源，可以通过功率谱来判断其功率，对于瞬态声频域上的处理信息不够充分，由于持续时间太短，频率分辨力不够好，在频域上需要的频点可能显示不全。对于瞬态声，我们更关心的还是其时域上的特性。传统对于瞬态声的外场和自由场测量受到了上述条件的限制，我们开始寻找其在混响水池的测量方法。混响水池与外场相比测量环境比较稳定，与消声水池相比低频限制小。对于功率的时域计算方法，由于自相关与功率谱互为傅里叶变换，我们选择从自相关入手。干涉是影响混响水池测量的主要干扰项，只进行时间平均是无法消除由各阶简正波干涉引起的干扰的，要想有效消除这种干扰需要进行充分法空间平均。对于频域和时域的处理方法都要进行空间平均。

目前还没有见到利用混响水池测量瞬态声特性的方法报告，也未曾见到利用声功率表征瞬态声特性的分析方法报道。

综上所述，现有技术存在对信息处理不够充分、频点显示不全等问题。

技术实现要素：

本发明目的在于得到一个可以利用混响水池准确测量瞬态声辐射声功率的方法。

本发明是这样实现的：

混响水池中瞬态声源特性的测量方法，包括以下步骤：

(1)在混响水池布放标准声源及水听器阵；在水池中距离池壁大于最低分析频率波长地方放置一个已知标准声源；在水池中全空间布放水听器，间距最大等于最小半波长；布放时通过线阵布放和支架单个布放；

(2)使已知标准声源发射稳态宽带信号，测量混响水池的频域声场修正量；

(3)用待测的瞬态声源替换标准声源发射，采集时域声压数据；

(4)对所有阵元的时域数据做功率谱计算声功率级并做空间平均处理得到空间平均声功率级<lw>；

(5)对所有阵元的时域数据fn(t)做自相关处理。

所述使已知标准声源发射稳态宽带信号，测量混响水池的频域声场修正量，包括：

将采集到的信号做傅里叶变换得到频域声压级，将混响水池内所有水听器的频域结果叠加后做空间平均得到空间平均声压级<lp>：

其中，n为布放的水听器的个数，为第n个水听器采集到的信号的声压级；

由下式得到从混响水池空间平均声压级修正到声源级的修正量10log(rc)

10log(rc)＝<lp>-sl

式中由混响时间t60求得。

所述对所有阵元的时域数据做功率谱计算声功率级并做空间平均处理得到空间平均声功率级<lw>，包括：

空间平均声功率级<lw>：

其中，n为布放的水听器的个数，为声功率级；

利用频域声场修正量得到待测瞬态声源的辐射声功率频域特性；利用步骤(2)中的修正量进行修正，得到实际的声功率级lw：

lw＝<lw>-10log(rc)。

所述对所有阵元的时域数据fn(t)做自相关处理，包括：

fn(t)做自相关处理：

进行空间平均处理：

空间平均后后其峰值作为水池中空间平均声能rmax，利用步骤(2)中的修正量修正至声源级声能a：

a＝rmax/rc

声功率由以下式子计算得到：

w＝as/ρc

其中，s为面积，ρc为水的特性阻抗。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明首次提出了瞬态声特性的水池测量方法，适于瞬态声的定量声学评价。

(2)该测量方法具有稳定性较好、测量条件容易实现、测量高效等优势。

附图说明

图1是瞬态声测量原理示意图；

图2是示自由场、混响场脉冲声归一化接收信号；

图3是示混响水池中脉冲声辐射声功率的测量实验系统；

图4是示混响水池脉冲声功率谱示意图；

图5是示消声水池脉冲声功率谱示意图；

图6是第一次10khz填充频率不同脉冲宽度混响水池结果图；

图7是第二次10khz填充频率不同脉冲宽度混响水池结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种在混响水池测量水下声源瞬态声特性的测量方法

本发明提供了一种在混响水池测量水下声源瞬态声特性的方法，该方法包括以下步骤：(1)在混响水池布放标准声源及水听器阵：在水池中距离池壁大于最低分析频率波长处放置一个已知标准声源；在水池中全空间布放水听器，间距不大于最小半波长；(2)使已知标准声源发射稳态宽带信号，测量混响水池的频域声场修正量；(3)用待测的瞬态声源替换标准声源发射，采集时域声压数据；(4)对所有阵元的时域数据做功率谱并空间平均处理，利用频域声场修正量得到待测瞬态声源的辐射声功率频域特性；(5)对所有阵元的时域数据做自相关并空间平均处理，同样利用声场修正量得到待测瞬态声源的辐射声功率时域特性。本发明为瞬态声的定量声学评估评价提供了有效的水池方法手段。相对自由场测量方法及条件要求，本发明的测量条件更容易满足，测量效率高、成本低。

混响场的应用起源于空气声学中的混响室，在测量声学材料的吸声系数、建筑物的声传递损失、声源的辐射声功率中得到广泛应用，混响水池还可用于换能器校准。混响水池中的实验条件和测量方法与混响室中的有很大的不同，混响水池声场更不均匀，测量时需要全空间采集，并用空间技术消除边界的干涉影响。

水下目标稳态辐射噪声级越来越低给检测与测量带来了极大的困难。瞬态声日益成为水下目标的主要暴露源之一，它们的持续时间通常都在毫秒级。通常对瞬态声的检测和测量都在自由场进行，测量其直达声，然而在实际外场中无法达到自由场条件，测量得到的结果是经过信道界面调制的，且受环境影响外场测量重复性差；消声水池又受到吸声材料低频应用限制，且实验条件及测试成本高。目前对瞬态声的研究停留在检测判断信号有无和提取。

对于稳态声源，可以通过功率谱来判断其功率，对于瞬态声频域上的处理信息不够充分，由于持续时间太短，频率分辨力不够好，在频域上需要的频点可能显示不全。对于瞬态声，我们更关心的还是其时域上的特性。传统对于瞬态声的外场和自由场测量受到了上述条件的限制，我们开始寻找其在混响水池的测量方法。混响水池与外场相比测量环境比较稳定，与消声水池相比低频限制小。对于功率的时域计算方法，由于自相关与功率谱互为傅里叶变换，我们选择从自相关入手。干涉是影响混响水池测量的主要干扰项，只进行时间平均是无法消除由各阶简正波干涉引起的干扰的，要想有效消除这种干扰需要进行充分法空间平均。对于频域和时域的处理方法都要进行空间平均。

目前还没有见到利用混响水池测量瞬态声特性的方法报告，也未曾见到利用声功率表征瞬态声特性的分析方法报道。

本发明目的在于得到一个可以利用混响水池准确测量瞬态声辐射声功率的方法。

本发明是这样实现的：

在混响水池布放标准声源及水听器阵：在水池中距离池壁大于最低分析频率波长处放置一个已知标准声源；在水池中全空间布放水听器，间距不要大于最小半波长。布放时可以通过线阵布放，或支架单个布放。

使已知标准声源发射稳态宽带信号，测量混响水池的频域声场修正量；

将采集到的信号做傅里叶变换得到频域声压级，将混响水池内所有水听器的频域结果叠加后平均(空间平均)得到空间平均声压级<lp>：

式中n为布放的水听器的个数，为第n个水听器采集到的信号的声压级。

利用下式可以得到从混响水池空间平均声压级修正到声源级的修正量10log(rc)。

10log(rc)＝<lp>-sl

rc还可以利用混响时间求得：

式中由混响时间t60求得。

(3)用待测的瞬态声源替换标准声源发射，采集时域声压数据；

(4)对所有阵元的时域数据做功率谱算声功率级并做空间平均处理得到空间平均声功率级<lw>:

利用频域声场修正量得到待测瞬态声源的辐射声功率频域特性；计算后要利用(2)中的修正量进行修正，得到实际的声功率级lw：

lw＝<lw>-10log(rc)

(5)对所有阵元的时域数据fn(t)做自相关处理：

并且进行空间平均处理：

空间平均后后其峰值作为水池中空间平均声能rmax，利用(2)中修正量修正至声源级声能a：

a＝rmax/rc

声功率可由以下式子计算得到：

w＝as/ρc

式中，s为面积，ρc为水的特性阻抗。

本发明首次提出了瞬态声特性的水池测量方法，适于瞬态声的定量声学评价。该测量方法具有稳定性较好、测量条件容易实现、测量高效等优势。

图1瞬态声测量原理示意图

图2示自由场、混响场脉冲声归一化接收信号

图3示混响水池中脉冲声辐射声功率的测量实验系统

图4示混响水池脉冲声功率谱示意图

图5示消声水池脉冲声功率谱示意图

参见图3，本实施例在尺寸为15m×9m×6m的混响水池中进行，它的混响时间等自身特性事先已知可以通过查表得到。

测量按照以下步骤进行：

步骤a：根据实验环境布放水听器和发射换能器如图3，水听器使用阵列共有128个阵元。

步骤b：分别在混响水池和消声水池里对已知标准声源发射的0～25khz的稳态宽带信号进行功率谱估计，在混响水池里要进行空间平均：

两者在不同的频点有不同差量，可以利用下式得到修正量：

10log(rc)＝<lp>-sl

声场的理论修正量为-6db。

步骤c：利用信号源aligent33522a发射5ms至20ms，频率为10khz的一系列大小为1vpp的脉冲串，经功率放大器b&k2713放大50db作用于发射换能器，由步骤a中布放的水听器阵进行接收，东华采集系统dh8306a进行采集。5ms的信号在自由场和混响场的归一化时域信号如图1所示。

步骤d：用频域的方法进行处理，得到功率的相对大小。以5ms信号为例用pwelch法做混响水池中每个水听器数据和消声水池数据的功率谱计算，再对混响水池中的128个点的功率谱进行空间平均：

空间平均后的功率谱分别为图4和图5。测量得到的声功率级可以用下式得到：

lw＝<lw>-(-6)

根据图上数据的结果，混响场测量结果与自由场测量结果相差0.2db。

步骤f：进行时域上的处理。对混响水池中128个水听器采集的数据分别做自相关处理，再进行空间平均：

所得自相关曲线在横坐标为0的点的峰值就是声源辐射的空间平均声能rmax，利用修正量修正至声源声能a后再计算声功率，面积取单位半径球面。

a＝rmax/rc

w＝as/ρc

根据上述一系列处理过程，实验数据的声功率级lw处理结果如表1，表2所示。可以看到误差在可允许范围内，对于瞬态声来说时域上的处理方法更有普遍意义，物理意义更加明确。该方法能够很好地填补瞬态声测量的空白。