摘要：室內(nèi)聲學(xué)脈沖反向積分法能夠快捷和全面地測(cè)量部分聲學(xué)參數(shù)，但傳統(tǒng)測(cè)試受限于系統(tǒng)中各種設(shè)備的有線連接方式。目的：為了更加科學(xué)和高效地進(jìn)行各種規(guī)格的廳堂聲學(xué)測(cè)試，方法：本文基于脈沖反向積分法針對(duì)丹麥B&K4942和德國(guó)Sennheiser MKH800 P48兩種傳聲器在有線模式和無(wú)線模式的三種情況下進(jìn)行了包括早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20、混響時(shí)間T30、音樂明晰度C80、語(yǔ)言清晰度D50等客觀音質(zhì)參數(shù)的測(cè)量。結(jié)果：測(cè)量結(jié)果顯示在100Hz到8000Hz中高頻頻段范圍內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比有較高的復(fù)合度，可以在各類廳堂場(chǎng)館的現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試中使用。結(jié)論：通過不同測(cè)試模式的對(duì)比初步驗(yàn)證了無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)在廳堂聲學(xué)測(cè)量中的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)；DIRAC；客觀音質(zhì)參數(shù)

中圖分類號(hào)：    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：    文章編號(hào)：

Abstract: The interior acoustic pulse reverse integration method can be used to measure the partial acoustic parameters quickly and comprehensively. But the traditional test is limited to the wired connection mode of some kinds of equipments in the system. In order to do the acoustic test more scientifically and efficiently for various specifications, this paper do some measurements of objective sound quality parameters such as EDT, T20, T30, C80, D50 in three cases with a wired mode and a wireless mode by B&K 4942 microphone of Denmark and Sennheiser MKH800 P48 microphone of Germany based on pulse reverse integration. The measurement results show that in the frequency range from 100Hz to 8000Hz the test data has good repeatability compared with traditional test method. This method can be used in the engineering test of some venues. By comparing the different test modes, this paper verifies the feasibility and reliability of wireless testing system in the hall in acoustic measurement.

Key words:acoustics; wireless test system; DIRAC system; objective sound quality parameters

0 引 言

從2000年至2015年的這十五年是我國(guó)演藝建筑的發(fā)展黃金時(shí)期，在這期間我國(guó)新建了超過200項(xiàng)大型或超大型演藝建筑，建設(shè)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(yùn)營(yíng)時(shí)間超過10年的待維護(hù)演藝建筑的數(shù)量也逐漸龐大起來(lái)，如何科學(xué)、高效的進(jìn)行建筑聲學(xué)指標(biāo)的測(cè)試與評(píng)估就成了聲學(xué)工作者需要解決的問題。按照傳統(tǒng)的測(cè)試方法，測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試信號(hào)采集前端主要采用測(cè)試電容傳聲器連接測(cè)量前置放大器再連通到聲卡等設(shè)備上來(lái)進(jìn)行聲音信號(hào)的采集，其主要問題在當(dāng)面對(duì)體量較大的場(chǎng)館廳堂時(shí)測(cè)試布線的不方便和不安全。在傳統(tǒng)的測(cè)試方法上也多采用中斷聲源法來(lái)進(jìn)行信號(hào)的激勵(lì)與處理，其重復(fù)性和穩(wěn)定性存在一定問題。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO自2007年起陸續(xù)對(duì)例如ISO 3382-1，ISO3382-2等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，國(guó)內(nèi)相關(guān)部門如住建部與國(guó)家質(zhì)檢總局等也對(duì)混響時(shí)間測(cè)量規(guī)范進(jìn)行了修訂，從而為建筑聲學(xué)指標(biāo)的測(cè)試與評(píng)估提供了標(biāo)準(zhǔn)支持。因?yàn)檠菟嚱ㄖ囊?guī)模體量有大有小，為了更科學(xué)、更高效的進(jìn)行建筑聲學(xué)的測(cè)試與音質(zhì)評(píng)價(jià)，本文采用了三種傳聲器聲音信號(hào)采集模式進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，嘗試找到一種快捷且精確的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)解決大型廳堂的客觀聲學(xué)參數(shù)測(cè)量問題。

1 測(cè)試方法與特點(diǎn)

基于脈沖反向積分法來(lái)測(cè)量混響時(shí)間[2]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(hào)表示群體平均，r(x)是被測(cè)房間的脈沖聲響應(yīng)，N為譜密度。在混響時(shí)間測(cè)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3382中，脈沖反向積分法和聲源切斷法都是被承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法[3]。

采用脈沖反向積分法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先用脈沖聲對(duì)房間進(jìn)行激勵(lì)，記錄下房間的脈沖響應(yīng)，對(duì)這個(gè)脈沖響應(yīng)的平方進(jìn)行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。由于對(duì)脈沖響應(yīng)進(jìn)行了積分，得到的聲能衰減曲線比較平滑、波動(dòng)起伏小且單調(diào)下降。反向積分使小信號(hào)先進(jìn)濾波器，濾波器的穩(wěn)定時(shí)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(diǎn)結(jié)束，衰減曲線的方程為下述公式(2)：

式中P為脈沖響應(yīng)聲壓。計(jì)算得到衰減曲線后，根據(jù)聲能降低的斜率計(jì)算出混響時(shí)間[4]。

采用脈沖反向積分法測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

  （2）測(cè)量時(shí)記錄脈沖響應(yīng)，還可以同時(shí)得到早期衰減時(shí)間EDT等其它輔助聲學(xué)參數(shù)。

2 測(cè)試平臺(tái)的搭建

本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)基于丹麥B&K的DIRAC測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行，測(cè)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(biāo)準(zhǔn)聲源、0948音頻接口、4231聲校準(zhǔn)器、1704 CCLD信號(hào)放大器等作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件基礎(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)框圖

在聲音信號(hào)采集前端，傳聲器的有線連接模式是現(xiàn)有聲場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)最常用的測(cè)試方式，這種模式普遍地應(yīng)用于廳堂場(chǎng)館的聲學(xué)測(cè)試中，其優(yōu)點(diǎn)是：

  （1）標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)期的工程測(cè)試驗(yàn)證，原始記錄準(zhǔn)確。

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

所以針對(duì)不同規(guī)模室內(nèi)聲場(chǎng)空間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試考慮，本次實(shí)驗(yàn)采用了4942傳聲器有線連接模式、4942傳聲器無(wú)線連接模式和MKH800 P48傳聲器無(wú)線連接模式三種不同的聲音信號(hào)采集方式來(lái)進(jìn)行對(duì)比。此處之所以將消聲箱中校準(zhǔn)過的MKH800 P48傳聲器也作為測(cè)量用傳聲器來(lái)使用，是因?yàn)榈淏&K的所有傳聲器都是全指向性傳聲器，不能進(jìn)行8字型拾音模式的調(diào)制，在現(xiàn)場(chǎng)情況下無(wú)法滿足對(duì)側(cè)向聲能LF/LFC的測(cè)試[5]。

圖2 B&K 4942傳聲器頻響曲線圖

圖3 MKH800 P48頻響曲線圖(全指向模式)圖

圖3 MKH800 P48頻響曲線圖(全指向模式)圖

圖4 全指向性極坐標(biāo)圖[6]

3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)選用測(cè)試院的標(biāo)準(zhǔn)視聽室作為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。其聲學(xué)裝修主要包括吸聲和擴(kuò)散處理，在天花板中填充吸聲材料，使頻率特性保持平直與均衡。在房間低頻的簡(jiǎn)正頻率處適當(dāng)加強(qiáng)吸聲，防止駐波的影響。其次，在四面墻面鋪設(shè)擴(kuò)散板，使聲場(chǎng)擴(kuò)散均勻。標(biāo)準(zhǔn)視聽室中，除了音響系統(tǒng)外，還有視頻系統(tǒng)及照明系統(tǒng)，各部分電路系統(tǒng)應(yīng)相互獨(dú)立，防止引入電噪聲。視聽室的裝修后的幾何尺寸按1：1.4：1.9的比例設(shè)計(jì)，尺寸為7.6m×5.5m×4m ;體積為167m3;設(shè)計(jì)混響時(shí)間為0.3s[7]。

本次實(shí)驗(yàn)依據(jù)參考ISO 3382-1和ISO 3382-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，主要針對(duì)早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20、混響時(shí)間T30、音樂明晰度C80、語(yǔ)言清晰度D50這5個(gè)指標(biāo)[8]進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估。三種不同傳聲器連接模式下測(cè)得的聲學(xué)參數(shù)原始記錄如下：

4 結(jié)果分析與對(duì)比

實(shí)驗(yàn)通過對(duì)三種不同傳聲器連接模式得到的測(cè)試數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計(jì)，針對(duì)上述的早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20/T30/RT等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試原始數(shù)據(jù)的對(duì)比，得到各個(gè)客觀參數(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖如下。可以看出在倍頻帶下，除了31.5Hz和63Hz的測(cè)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(chǎng)工程測(cè)試的需要。

圖5 早期衰減時(shí)間EDT數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖6 混響時(shí)間T20數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖7 混響時(shí)間T30數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖8 混響時(shí)間RT數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖9 明晰度C80數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖10 清晰度D50數(shù)據(jù)對(duì)比圖

下表是以最傳統(tǒng)4942傳聲器有線連接模式測(cè)得得數(shù)據(jù)值作為參考值來(lái)計(jì)算各種方法的相對(duì)誤差，結(jié)果如下：

5 結(jié)論

從上述測(cè)試結(jié)果及分析可以得出以下結(jié)論：

  1)基于DIRAC的4942、ZE0948、2734B、1704等設(shè)備組成的測(cè)試系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)與過往基于PULSE系統(tǒng)的測(cè)試值相比，其復(fù)現(xiàn)性和重復(fù)性都很好，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

  2)該基于DIRAC的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)量中，其在100Hz以下低頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比有較大出入，某些典型頻率點(diǎn)相對(duì)誤差在10%以上。

  3)該基于DIRAC的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)量中，其在100Hz以上頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比復(fù)合程度較高，采用4942傳聲器的無(wú)線系統(tǒng)誤差范圍除去個(gè)別測(cè)點(diǎn)普遍在3%以內(nèi)。

  4)該基于DIRAC的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)量中，其在100Hz以上頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比復(fù)合程度較高，采用MKH800傳聲器的無(wú)線系統(tǒng)誤差范圍出去各別測(cè)點(diǎn)普遍在2%以內(nèi)。

  5)基于DIRAC的無(wú)線系統(tǒng)在大型場(chǎng)館中應(yīng)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(chǎng)館的現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試中使用。

  6)KH無(wú)線系統(tǒng)與B&K傳聲器對(duì)比，數(shù)據(jù)誤差范圍穩(wěn)定性稍差，可以通過多次測(cè)量來(lái)解決該部分問題，其相對(duì)誤差相較傳統(tǒng)方法更低，又因?yàn)锽&K麥克風(fēng)沒有8字型指向性話筒，在一些聲場(chǎng)測(cè)試局限性，MKH800無(wú)線系統(tǒng)可以取代B&K麥克風(fēng)用于大型工程的測(cè)試。

本次實(shí)驗(yàn)尚存在一些不足之處，如本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闀r(shí)間的限制，沒有進(jìn)行LF/LFC/IACC的系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試；本次實(shí)驗(yàn)因?yàn)闂l件的限制，沒有進(jìn)行大型體育場(chǎng)館的對(duì)比測(cè)試等。