摘要：德國哥廷根大學(xué)的M.R.Schroeder教授在1965年提出的室內聲學(xué)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(xué)參數的途徑，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，本文基于DIRAC搭建了一套聲場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)測試系統，并就該系統在不同聲場(chǎng)條件下的混響時(shí)間指標測試可行性和可靠性就行了驗證，以便確認該套無(wú)線(xiàn)測試系統能夠用于大型場(chǎng)館的客觀(guān)音質(zhì)工程測試中。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；無(wú)線(xiàn)測試系統；DIRAC；混響時(shí)間，廳堂聲學(xué)檢測

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(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。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)，本文搭建了一套基于DIRAC的聲場(chǎng)無(wú)線(xiàn)測試系統，針對此系統在擴散場(chǎng)、自由場(chǎng)和普通房間三種聲場(chǎng)條件下做了混響時(shí)間(T20、T30、RT)參數的實(shí)驗驗證與數據對比，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。

2 測試方法與特點(diǎn)

德國哥廷根大學(xué)的M.R.Schroeder教授在1965年提出了測量混響時(shí)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。

3 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。

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)驗針對不同聲場(chǎng)條件，采用了B&K 4189自由場(chǎng)傳聲器和B&K 4942傳聲器的有線(xiàn)連接模式、4189和4942傳聲器無(wú)線(xiàn)連接模式和MKH800 P48傳聲器無(wú)線(xiàn)連接模式等多種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]。

4 實(shí)驗參數與測試數據

本次實(shí)驗選用測試院的全自由場(chǎng)消聲室、混響室和錄音棚作為測試現場(chǎng)。測試院消聲室建于上世紀七十年代，是西南地區建設時(shí)間早、規模大、聲場(chǎng)效果優(yōu)異的專(zhuān)業(yè)全消聲室；混響室尺寸8m×6m×5m，墻面平均吸聲系數0.06，設計中頻混響時(shí)間在6秒以上；錄音棚經(jīng)過(guò)了較為系統的聲學(xué)設計，隔聲、吸聲和擴散等均做了對應處理，室內幾何尺寸比為1：1.4：1.9，體積167m3；設計混響時(shí)間為0.3s[6]。

本次實(shí)驗依據參考ISO 3382-1和ISO 3382-2標準進(jìn)行，主要針對混響時(shí)間T20、T30和RT來(lái)進(jìn)行驗證與對比[7]。在消聲室、混響室和錄音棚不同聲場(chǎng)情況下測得的學(xué)性能參數原始記錄數據，分別由下面4.1、4.2和4.3節的表1、表2和表3給出：

4.1 全自由場(chǎng)消聲室

4.2 混響室

4.3 錄音棚

5 結果分析與對比

實(shí)驗通過(guò)對三種不同聲場(chǎng)條件下得到的測試數據的整理和統計，針對上述的混響時(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圖1～圖9?？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。

5.1 全自由場(chǎng)消聲室

圖1 混響時(shí)間T20數據對比圖

Fig. 1 Comparison Chart of reverberation time T20

圖2 混響時(shí)間T30數據對比圖

Fig. 2 Comparison Chart of reverberation time T30

圖3 混響時(shí)間RT數據對比圖

Fig. 3 Comparison Chart of reverberation time RT

5.2 混響室

圖4 混響時(shí)間T20數據對比圖

Fig. 4 Comparison Chart of reverberation time T20

圖5 混響時(shí)間T30數據對比圖

Fig. 5 Comparison Chart of reverberation time T30

圖6 混響時(shí)間RT數據對比圖

Fig. 6 Comparison Chart of reverberation time RT

5.3 錄音棚

圖7 混響時(shí)間T20數據對比圖

Fig.7 Comparison Chart of reverberation time T20

圖8 混響時(shí)間T30數據對比圖

Fig. 8 Comparison Chart of reverberation time T30

圖9 混響時(shí)間RT數據對比圖

Fig. 9 Comparison Chart of reverberation time RT

6 結論與不足

從上述測試結果及分析可以得出以下歸納點(diǎn)：

⊄ 1) 在全自由場(chǎng)消聲室聲場(chǎng)中采用4189傳聲器無(wú)線(xiàn)連接模式測得的數據，在125Hz頻率點(diǎn)附近的測得值與其他模式測得有所偏差。

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

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

⊄ 4) 基于DIRAC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。

⊄ 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) MKH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)行語(yǔ)言清晰度、側向聲能等其他客觀(guān)音質(zhì)參數的測試與驗證；本次實(shí)驗因為條件的限制，沒(méi)有進(jìn)行大型場(chǎng)館的對比測試等。