09 2021-07

無線測試系統(tǒng)在多聲場下的驗證與對比

周遠波，萬明，何杰

(四川海巖聲學科技有限公司，四川成都 610000)

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

關(guān)鍵詞：聲學；無線測試系統(tǒng)；DIRAC；混響時間，廳堂聲學檢測

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演藝建筑的發(fā)展黃金時期，在這期間我國新建了超過200項大型或超大型演藝建筑，建設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營時間超過10年的待維護演藝建筑的數(shù)量也逐漸龐大起來，如何科學、高效的進行建筑聲學指標的測試與評估就成了聲學工作者需要解決的問題。國際標準化組織ISO自2007年起陸續(xù)對例如ISO 3382-1，ISO3382-2等標準進行了修訂，國內(nèi)相關(guān)部門如住建部與國家質(zhì)檢總局等也對混響時間測量規(guī)范進行了修訂，從而為建筑聲學指標的測試與評估提供了標準支持。因為演藝建筑的規(guī)模體量有大有小，為了更科學、更高效的進行建筑聲學的測試與音質(zhì)評價，本文搭建了一套基于DIRAC的聲場無線測試系統(tǒng)，針對此系統(tǒng)在擴散場、自由場和普通房間三種聲場條件下做了混響時間(T20、T30、RT)參數(shù)的實驗驗證與數(shù)據(jù)對比，嘗試找到一種快捷且精確的測量系統(tǒng)來解決大型廳堂的客觀聲學參數(shù)測量問題。

2 測試方法與特點

德國哥廷根大學的M.R.Schroeder教授在1965年提出了測量混響時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)，尖括號表示群體平均，r(x)是被測房間的脈沖聲響應，N為譜密度。在混響時間測量的國際標準ISO 3382中，脈沖反向積分法和聲源切斷法都是被承認的標準測量方法[3]。

采用脈沖反向積分法進行測量時，首先用脈沖聲對房間進行激勵，記錄下房間的脈沖響應，對這個脈沖響應的平方進行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。由于對脈沖響應進行了積分，得到的聲能衰減曲線比較平滑、波動起伏小且單調(diào)下降。反向積分使小信號先進濾波器，濾波器的穩(wěn)定時間較短。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結(jié)束，衰減曲線的方程為下述公式(2)：

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

采用脈沖反向積分法測量有以下優(yōu)點：

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

（2）測量時記錄脈沖響應，還可以同時得到早期衰減時間EDT等其它輔助聲學參數(shù)。

3 測試平臺的搭建

本次對比實驗基于丹麥B&K的DIRAC測試系統(tǒng)進行，測試和輸出端采用DELL筆記本電腦、2734B功率放大器、正十二面體標準聲源、0948音頻接口、4231聲校準器、1704 CCLD信號放大器等作為實驗平臺硬件基礎(chǔ)。

在聲音信號采集前端，傳聲器的有線連接模式是現(xiàn)有聲場測試現(xiàn)場最常用的測試方式，這種模式普遍地應用于廳堂場館的聲學測試中，其優(yōu)點是：

1) 標準傳聲器性能優(yōu)異；

2) 有線連接方式數(shù)據(jù)傳輸安全可靠；

3) 經(jīng)過長期的工程測試驗證，原始記錄準確。

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

所以針對不同規(guī)模室內(nèi)聲場空間的現(xiàn)場測試考慮，本次實驗針對不同聲場條件，采用了B&K 4189自由場傳聲器和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采集方式來進行對比。此處之所以將消聲箱中校準過的MKH800 P48傳聲器也作為測量用傳聲器來使用，是因為丹麥B&K的所有傳聲器都是全指向性傳聲器，不能進行8字型拾音模式的調(diào)制，在現(xiàn)場情況下無法滿足對側(cè)向聲能LF/LFC的測試[5]。

4 實驗參數(shù)與測試數(shù)據(jù)

本次實驗選用測試院的全自由場消聲室、混響室和錄音棚作為測試現(xiàn)場。測試院消聲室建于上世紀七十年代，是西南地區(qū)建設時間早、規(guī)模大、聲場效果優(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，設計中頻混響時間在6秒以上；錄音棚經(jīng)過了較為系統(tǒng)的聲學設計，隔聲、吸聲和擴散等均做了對應處理，室內(nèi)幾何尺寸比為1：1.4：1.9，體積167m3；設計混響時間為0.3s[6]。

本次實驗依據(jù)參考ISO 3382-1和ISO 3382-2標準進行，主要針對混響時間T20、T30和RT來進行驗證與對比[7]。在消聲室、混響室和錄音棚不同聲場情況下測得的學性能參數(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 全自由場消聲室聲場條件下測試數(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 混響室聲場條件下測試數(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 錄音棚聲場條件下測試數(shù)據(jù)

Table 3 test data in Recording studio

5 結(jié)果分析與對比

實驗通過對三種不同聲場條件下得到的測試數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計，針對上述的混響時間T20、T30、RT等指標進行了測試原始數(shù)據(jù)的對比，得到各個客觀參數(shù)指標的數(shù)據(jù)對比圖如圖1～圖9?？梢钥闯鲈诒额l帶下，除了31.5Hz和63Hz的測試結(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)場工程測試的需要。

5.1 全自由場消聲室

圖1 混響時間T20數(shù)據(jù)對比圖

Fig. 1 Comparison Chart of reverberation time T20

圖2 混響時間T30數(shù)據(jù)對比圖

Fig. 2 Comparison Chart of reverberation time T30

圖3 混響時間RT數(shù)據(jù)對比圖

Fig. 3 Comparison Chart of reverberation time RT

5.2 混響室

圖4 混響時間T20數(shù)據(jù)對比圖

Fig. 4 Comparison Chart of reverberation time T20

圖5 混響時間T30數(shù)據(jù)對比圖

Fig. 5 Comparison Chart of reverberation time T30

圖6 混響時間RT數(shù)據(jù)對比圖

Fig. 6 Comparison Chart of reverberation time RT

5.3 錄音棚

圖7 混響時間T20數(shù)據(jù)對比圖

Fig.7 Comparison Chart of reverberation time T20

圖8 混響時間T30數(shù)據(jù)對比圖

Fig. 8 Comparison Chart of reverberation time T30

圖9 混響時間RT數(shù)據(jù)對比圖

Fig. 9 Comparison Chart of reverberation time RT

6 結(jié)論與不足

從上述測試結(jié)果及分析可以得出以下歸納點：

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

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

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

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

⊄ 5) 基于DIRAC的無線系統(tǒng)在大型場館中應用方便，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館的現(xiàn)場工程測試中使用。

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

本次實驗尚存在一些不足之處，如本次實驗因為時間的限制，沒有進行語言清晰度、側(cè)向聲能等其他客觀音質(zhì)參數(shù)的測試與驗證；本次實驗因為條件的限制，沒有進行大型場館的對比測試等。

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