09 2021-07

无线测试系统在多声场下的验证与对比

周远波，万明，何杰

(四川海岩声学科技有限公司，四川成都 610000)

摘要：德国哥廷根大学的M.R.Schroeder教授在1965年提出的室内声学脉冲反向积分法给我们提供了快捷和全面地测量部分声学参数的途径，为了更加科学和高效地进行各种规格的厅堂声学测试，本文基于DIRAC搭建了一套声场的无线测试系统，并就该系统在不同声场条件下的混响时间指标测试可行性和可靠性就行了验证，以便确认该套无线测试系统能够用于大型场馆的客观音质工程测试中。

关键词：声学；无线测试系统；DIRAC；混响时间，厅堂声学检测

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

从2000年至2015年的这十五年是我国演艺建筑的发展黄金时期，在这期间我国新建了超过200项大型或超大型演艺建筑，建设集群总投资近千亿元[1]。这种背景下，近年陆续竣工的新建演艺建筑和运营时间超过10年的待维护演艺建筑的数量也逐渐庞大起来，如何科学、高效的进行建筑声学指标的测试与评估就成了声学工作者需要解决的问题。国际标准化组织ISO自2007年起陆续对例如ISO 3382-1，ISO3382-2等标准进行了修订，国内相关部门如住建部与国家质检总局等也对混响时间测量规范进行了修订，从而为建筑声学指标的测试与评估提供了标准支持。因为演艺建筑的规模体量有大有小，为了更科学、更高效的进行建筑声学的测试与音质评价，本文搭建了一套基于DIRAC的声场无线测试系统，针对此系统在扩散场、自由场和普通房间三种声场条件下做了混响时间(T20、T30、RT)参数的实验验证与数据对比，尝试找到一种快捷且精确的测量系统来解决大型厅堂的客观声学参数测量问题。

2 测试方法与特点

德国哥廷根大学的M.R.Schroeder教授在1965年提出了测量混响时间的脉冲反向积分法[2]。该方法基于下述公式(1)：

式中S(t)是稳态噪声的声压衰减函数，尖括号表示群体平均，r(x)是被测房间的脉冲声响应，N为谱密度。在混响时间测量的国际标准ISO 3382中，脉冲反向积分法和声源切断法都是被承认的标准测量方法[3]。

采用脉冲反向积分法进行测量时，首先用脉冲声对房间进行激励，记录下房间的脉冲响应，对这个脉冲响应的平方进行反向积分就可以得到房间声能的衰减曲线。由于对脉冲响应进行了积分，得到的声能衰减曲线比较平滑、波动起伏小且单调下降。反向积分使小信号先进滤波器，滤波器的稳定时间较短。在没有背景噪声的理想条件下，积分区间从声压为零开始到脉冲接收初始点结束，衰减曲线的方程为下述公式(2)：

式p为脉冲响应声压。计算得到衰减曲线后，根据声能降低的斜率计算出混响时间[4]。

采用脉冲反向积分法测量有以下优点：

（1）重复性好，普遍认为1次脉冲反向积分法的测量精度与10次声源切断法的平均值相当。

（2）测量时记录脉冲响应，还可以同时得到早期衰减时间EDT等其它辅助声学参数。

3 测试平台的搭建

本次对比实验基于丹麦B&K的DIRAC测试系统进行，测试和输出端采用DELL笔记本电脑、2734B功率放大器、正十二面体标准声源、0948音频接口、4231声校准器、1704 CCLD信号放大器等作为实验平台硬件基础。

在声音信号采集前端，传声器的有线连接模式是现有声场测试现场最常用的测试方式，这种模式普遍地应用于厅堂场馆的声学测试中，其优点是：

1) 标准传声器性能优异；

2) 有线连接方式数据传输安全可靠；

3) 经过长期的工程测试验证，原始记录准确。

其缺点是有线连接模式只能应用于中小体量的建筑场馆内，如果遇到大型体育场馆或音乐厅，传声器的布点范围极大的受限于连接线的长度，而且连线方式极大的影响了布点的效率，如需要进行满场状态下测试，这种方式可能会给测试现场带来大麻烦（一次测量可能耗时2小时以上），甚至不能完成正常的测试流程。

所以针对不同规模室内声场空间的现场测试考虑，本次实验针对不同声场条件，采用了B&K 4189自由场传声器和B&K 4942传声器的有线连接模式、4189和4942传声器无线连接模式和MKH800 P48传声器无线连接模式等多种声音信号采集方式来进行对比。此处之所以将消声箱中校准过的MKH800 P48传声器也作为测量用传声器来使用，是因为丹麦B&K的所有传声器都是全指向性传声器，不能进行8字型拾音模式的调制，在现场情况下无法满足对侧向声能LF/LFC的测试[5]。

4 实验参数与测试数据

本次实验选用测试院的全自由场消声室、混响室和录音棚作为测试现场。测试院消声室建于上世纪七十年代，是西南地区建设时间早、规模大、声场效果优异的专业全消声室；混响室尺寸8m×6m×5m，墙面平均吸声系数0.06，设计中频混响时间在6秒以上；录音棚经过了较为系统的声学设计，隔声、吸声和扩散等均做了对应处理，室内几何尺寸比为1：1.4：1.9，体积167m3；设计混响时间为0.3s[6]。

本次实验依据参考ISO 3382-1和ISO 3382-2标准进行，主要针对混响时间T20、T30和RT来进行验证与对比[7]。在消声室、混响室和录音棚不同声场情况下测得的学性能参数原始记录数据，分别由下面4.1、4.2和4.3节的表1、表2和表3给出：

4.1 全自由场消声室

频率[Hz]		31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
4189 有线	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 无线	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 无线	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 全自由场消声室声场条件下测试数据

Table 1 test data in full free-field acoustic anechoic chamber

4.2 混响室

频率[Hz]		31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
4942 有线	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 无线	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 无线	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 混响室声场条件下测试数据

Table 2 test data in Reverberation chamber

4.3 录音棚

频率[Hz]		31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
4942 有线	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 无线	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 无线	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 录音棚声场条件下测试数据

Table 3 test data in Recording studio

5 结果分析与对比

实验通过对三种不同声场条件下得到的测试数据的整理和统计，针对上述的混响时间T20、T30、RT等指标进行了测试原始数据的对比，得到各个客观参数指标的数据对比图如图1～图9。可以看出在倍频带下，除了31.5Hz和63Hz的测试结果有较大偏差外，其它中高频段数据相差很小，完全满足厅堂现场工程测试的需要。