摘要：室內聲學(xué)脈沖反向積分法能夠快捷和全面地測量部分聲學(xué)參數，但傳統測試受限于系統中各種設備的有線(xiàn)連接方式。目的：為了更加科學(xué)和高效地進(jìn)行各種規格的廳堂聲學(xué)測試，方法：本文基于脈沖反向積分法針對丹麥B&K4942和德國Sennheiser MKH800 P48兩種傳聲器在有線(xiàn)模式和無(wú)線(xiàn)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(lè )明晰度C80、語(yǔ)言清晰度D50等客觀(guān)音質(zhì)參數的測量。結果：測量結果顯示在100Hz到8000Hz中高頻頻段范圍內測試數據與傳統測試方法相比有較高的復合度，可以在各類(lèi)廳堂場(chǎng)館的現場(chǎng)工程測試中使用。結論：通過(guò)不同測試模式的對比初步驗證了無(wú)線(xiàn)測試系統在廳堂聲學(xué)測量中的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；無(wú)線(xiàn)測試系統；DIRAC；客觀(guān)音質(zhì)參數

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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演藝建筑的發(fā)展黃金時(shí)期，在這期間我國新建了超過(guò)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，近年陸續竣工的新建演藝建筑和運營(yíng)時(shí)間超過(guò)10年的待維護演藝建筑的數量也逐漸龐大起來(lái)，如何科學(xué)、高效的進(jìn)行建筑聲學(xué)指標的測試與評估就成了聲學(xué)工作者需要解決的問(wèn)題。按照傳統的測試方法，測試系統在測試信號采集前端主要采用測試電容傳聲器連接測量前置放大器再連通到聲卡等設備上來(lái)進(jìn)行聲音信號的采集，其主要問(wèn)題在當面對體量較大的場(chǎng)館廳堂時(shí)測試布線(xiàn)的不方便和不安全。在傳統的測試方法上也多采用中斷聲源法來(lái)進(jìn)行信號的激勵與處理，其重復性和穩定性存在一定問(wèn)題。國際標準化組織ISO自2007年起陸續對例如ISO 3382-1，ISO3382-2等標準進(jìn)行了修訂，國內相關(guān)部門(mén)如住建部與國家質(zhì)檢總局等也對混響時(shí)間測量規范進(jìn)行了修訂，從而為建筑聲學(xué)指標的測試與評估提供了標準支持。因為演藝建筑的規模體量有大有小，為了更科學(xué)、更高效的進(jìn)行建筑聲學(xué)的測試與音質(zhì)評價(jià)，本文采用了三種傳聲器聲音信號采集模式進(jìn)行了對比實(shí)驗，嘗試找到一種快捷且精確的測量系統來(lái)解決大型廳堂的客觀(guān)聲學(xué)參數測量問(wèn)題。

1 測試方法與特點(diǎn)

基于脈沖反向積分法來(lái)測量混響時(shí)間[2]基于下述公式(1)：

式中S(t)是穩態(tài)噪聲的聲壓衰減函數，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(shí)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(jìn)行測量時(shí)，首先用脈沖聲對房間進(jìn)行激勵，記錄下房間的脈沖響應，對這個(gè)脈沖響應的平方進(jìn)行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線(xiàn)。由于對脈沖響應進(jìn)行了積分，得到的聲能衰減曲線(xiàn)比較平滑、波動(dòng)起伏小且單調下降。反向積分使小信號先進(jìn)濾波器，濾波器的穩定時(shí)間較短。在沒(méi)有背景噪聲的理想條件下，積分區間從聲壓為零開(kāi)始到脈沖接收初始點(diǎn)結束，衰減曲線(xiàn)的方程為下述公式(2)：

式中P為脈沖響應聲壓。計算得到衰減曲線(xiàn)后，根據聲能降低的斜率計算出混響時(shí)間[4]。

采用脈沖反向積分法測量有以下優(yōu)點(diǎn)：

  （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(shí)記錄脈沖響應，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。

2 測試平臺的搭建

本次對比實(shí)驗基于丹麥B&K的DIRAC測試系統進(jìn)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(shí)驗平臺硬件基礎。

圖1 系統簡(jiǎn)要結構框圖

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

  （1）標準傳聲器性能優(yōu)異；

  （2）有線(xiàn)連接方式數據傳輸安全可靠；

  （3）經(jīng)過(guò)長(cháng)期的工程測試驗證，原始記錄準確。

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

所以針對不同規模室內聲場(chǎng)空間的現場(chǎng)測試考慮，本次實(shí)驗采用了4942傳聲器有線(xiàn)連接模式、4942傳聲器無(wú)線(xiàn)連接模式和MKH800 P48傳聲器無(wú)線(xiàn)連接模式三種不同的聲音信號采集方式來(lái)進(jìn)行對比。此處之所以將消聲箱中校準過(guò)的MKH800 P48傳聲器也作為測量用傳聲器來(lái)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(jìn)行8字型拾音模式的調制，在現場(chǎng)情況下無(wú)法滿(mǎn)足對側向聲能LF/LFC的測試[5]。

圖2 B&K 4942傳聲器頻響曲線(xiàn)圖

圖3 MKH800 P48頻響曲線(xiàn)圖(全指向模式)圖

圖3 MKH800 P48頻響曲線(xiàn)圖(全指向模式)圖

圖4 全指向性極坐標圖[6]

3 實(shí)驗參數與測試數據

本次實(shí)驗選用測試院的標準視聽(tīng)室作為測試現場(chǎng)。其聲學(xué)裝修主要包括吸聲和擴散處理，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)正頻率處適當加強吸聲，防止駐波的影響。其次，在四面墻面鋪設擴散板，使聲場(chǎng)擴散均勻。標準視聽(tīng)室中，除了音響系統外，還有視頻系統及照明系統，各部分電路系統應相互獨立，防止引入電噪聲。視聽(tīng)室的裝修后的幾何尺寸按1：1.4：1.9的比例設計，尺寸為7.6m×5.5m×4m ;體積為167m3;設計混響時(shí)間為0.3s[7]。

本次實(shí)驗依據參考ISO 3382-1和ISO 3382-2標準進(jìn)行，主要針對早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20、混響時(shí)間T30、音樂(lè )明晰度C80、語(yǔ)言清晰度D50這5個(gè)指標[8]進(jìn)行對比和評估。三種不同傳聲器連接模式下測得的聲學(xué)參數原始記錄如下：

4 結果分析與對比

實(shí)驗通過(guò)對三種不同傳聲器連接模式得到的測試數據的整理和統計，針對上述的早期衰減時(shí)間EDT、混響時(shí)間T20/T30/RT等指標進(jìn)行了測試原始數據的對比，得到各個(gè)客觀(guān)參數指標的數據對比圖如下?？梢钥闯鲈诒额l帶下，除了31.5Hz和63Hz的測試結果有較大偏差外，其它中高頻段數據相差很小，完全滿(mǎn)足廳堂現場(chǎng)工程測試的需要。

圖5 早期衰減時(shí)間EDT數據對比圖

圖6 混響時(shí)間T20數據對比圖

圖7 混響時(shí)間T30數據對比圖

圖8 混響時(shí)間RT數據對比圖

圖9 明晰度C80數據對比圖

圖10 清晰度D50數據對比圖

下表是以最傳統4942傳聲器有線(xiàn)連接模式測得得數據值作為參考值來(lái)計算各種方法的相對誤差，結果如下：

5 結論

從上述測試結果及分析可以得出以下結論：

  1)基于DIRAC的4942、ZE0948、2734B、1704等設備組成的測試系統得到的數據與過(guò)往基于PULSE系統的測試值相比，其復現性和重復性都很好，數據真實(shí)可靠。

  2)該基于DIRAC的無(wú)線(xiàn)測試系統在整個(gè)測量中，其在100Hz以下低頻段數據與傳統測試方法相比有較大出入，某些典型頻率點(diǎn)相對誤差在10%以上。

  3)該基于DIRAC的無(wú)線(xiàn)測試系統在整個(gè)測量中，其在100Hz以上頻段數據與傳統測試方法相比復合程度較高，采用4942傳聲器的無(wú)線(xiàn)系統誤差范圍除去個(gè)別測點(diǎn)普遍在3%以?xún)取?/p>

  4)該基于DIRAC的無(wú)線(xiàn)測試系統在整個(gè)測量中，其在100Hz以上頻段數據與傳統測試方法相比復合程度較高，采用MKH800傳聲器的無(wú)線(xiàn)系統誤差范圍出去各別測點(diǎn)普遍在2%以?xún)取?/p>

  5)基于DIRAC的無(wú)線(xiàn)系統在大型場(chǎng)館中應用方便，其低頻范圍內數據有所偏差，但中高頻段數據可靠性很高，可以嘗試在大型廳堂場(chǎng)館的現場(chǎng)工程測試中使用。

  6)KH無(wú)線(xiàn)系統與B&K傳聲器對比，數據誤差范圍穩定性稍差，可以通過(guò)多次測量來(lái)解決該部分問(wèn)題，其相對誤差相較傳統方法更低，又因為B&K麥克風(fēng)沒(méi)有8字型指向性話(huà)筒，在一些聲場(chǎng)測試局限性，MKH800無(wú)線(xiàn)系統可以取代B&K麥克風(fēng)用于大型工程的測試。

本次實(shí)驗尚存在一些不足之處，如本次實(shí)驗因為時(shí)間的限制，沒(méi)有進(jìn)行LF/LFC/IACC的系統對比測試；本次實(shí)驗因為條件的限制，沒(méi)有進(jìn)行大型體育場(chǎng)館的對比測試等。