基于改進中斷聲源法的混響時間測量方法研究

鄂治群,蒲志強,孫 磊,桂 桂,尹永釗

(中國測試技術研究院,四川 成都 610021)

混響時間對人的主觀聽覺感受具有重要影響,迄今為止它仍然是室內音質的一個最為重要的客觀評價參數[1]?；祉憰r間是描述封閉空間內聲音衰減快慢程度的物理量,室內聲能密度衰減60 dB所需要的時間稱為混響時間,因此通常用T60表示混響時間[2,3]。過長的混響時間會使人感到聲音混濁不清,降低語言的清晰度,甚至聽不清?；祉憰r間太短會造成聲音干澀。因此,混響時間的準確測量具有十分重要的意義[4]。

混響時間的主要測量方法是中斷聲源法和脈沖響應積分法。中斷聲源法是混響時間測量的傳統方法，它激勵房間的窄帶噪聲或粉紅噪聲聲源中斷發聲后,直接記錄聲壓級的衰變來獲取衰變曲線的方法。這種方法有一個缺點就是聲衰變嚴重地受到無規過程中不可避免的瞬時起伏的影響,所以必須多次測量進行平均[5]。德國哥廷根大學的Schroeder提出了基于脈沖響應積分方法的混響時間測量[6]。由于脈沖響應中的本底噪聲會同時被測量,也隨著時間被積分,因此脈沖響應的信噪比和積分上限的選擇會使由線性擬合計算的混響時間產生估值偏差[7],且脈沖信號源為氣球、發令槍、爆竹,分別存在著發聲功率不足、存在安全隱患等問題,在一定程度上限制了該方法的應用。

本文在提出中斷聲源法的基礎上,應用反向積分信號處理方法對中斷聲源法采集到的原始數據進行擬合,解決聲能衰變過程中不可避免的瞬時起伏問題。室內實測數據表明,反向積分法可以有效降低采用中斷聲源法測量混響時間時聲壓級衰變曲線瞬時起伏的問題,提高了混響時間的測量效率與精度。

1 理論分析

1.1 聲壓級衰變曲線起伏的原因

混響時間實際測量過程中,聲壓平方p2(t)代表能量E(t),初始聲能由聲源發出粉紅噪聲激勵,待聲場穩定后突然中斷,記錄聲壓級衰減60 dB的時間即為混響時間T60。聲壓級隨時間衰變的曲線可以用公式1計算:

(1)

式(1)中,SPL表示聲壓級,p0為空氣中的參考聲壓，為2×10-5Pa。

其中聲壓平方p2(t)是通過時間計權得到的,時間計權是模擬人耳對聲音的響應。時間計權主要有兩個參數,時間常數和積分時間,積分時間為時間常數的兩倍[8]。p2(t)的計算公式為

(2)

式(2)中,τ為時間常數,p(ξ)為瞬時聲壓信號。

式(2)中eξ/τ為指數函數,為聲壓平方p2(t)的一個分量,將其轉換為聲壓級表達式為10×log(eξ/τ),由此得到時間計權自身有一個衰減率,時間常數τ越小,衰減越快。這個時間計權自身衰減率會影響混響時間T60的測量。例如常用的時間常數τ為0.125 s,這時的衰減率為34.7 dB/s,分析儀本身在信號停止后衰減60 dB就有接近2 s的“混響時間”,已經超過了部分房間本身的混響時間。因此,只有將分析儀時間計權的時間常數τ設置非常小,時間計權自身衰減率為+∞時,即時間計權本身衰減率遠大于室內聲能隨時間的衰減,才能準確測量混響時間。

然而,為了避免出現簡正波等極端情況并提高測試效率,混響時間測量通常使用窄帶噪聲或者粉紅噪聲作為聲源信號[9]。其缺點是在時間常數τ設置非常小的情況下,室內聲能衰變受到無規過程中不可避免的瞬時起伏等因素的影響[10],測量聲壓級的波動較大,對混響時間的準確測量產生不利影響。

采用不同的時間計權,測量同一粉紅噪聲的時間計權聲壓級,此時的測量不受聲場因素的影響,測量結果如圖1和圖2。

圖1 時間計權聲級(時間常數為0.008 s)

圖2 時間計權聲級(時間常數為0.125 s)

圖1的時間常數為0.008 s(測量混響時間時的時間常數),當時間常數為0.008 s,積分時間為0.016 s時,時間計權的衰減率為555.9 dB/s。即可滿足時間計權本身衰減率遠大于聲能隨時間的衰減的要求,可以忽略其對混響時間測量準確性的影響,但是聲壓級的曲線明顯波動較大。圖2的時間常數為0.125 s,雖然聲壓級的曲線明顯波動較小,但此時時間計權的衰減率為34.7 dB/s,會對混響時間的準確測量產生較大影響。在測量混響時間較短的房間時,要求時間計權本身的衰減率遠大于聲能的衰減率,必須設定很小的時間常數。因此采用粉紅噪聲作為聲源信號測量混響時間時,時間常數非常小是引起衰變曲線產生波動的主要原因,影響了混響時間測量結果的準確性。

1.2 解決方法

目前,廣泛采用同樣測量條件下重復測量,再取平均值的方法解決這個不利影響,然而這樣就會降低測量效率。本文提出應用反向積分法對聲級衰變曲線進行數據擬合的方法解決這個問題。

(3)

在應用中斷聲源法測量混響時間的過程中,測量得到的聲壓級序列是隨時間逐漸衰減的離散數據Lpi,其中i為從1到N的時間正序排列。應用反向積分法對該離散數據序列Lpi數據擬合,以期得到平滑的聲壓級衰減曲線。

首先利用聲壓級與聲壓之間的換算關系將各個測量時間點上的聲壓級換算為聲壓,計算方法如式(4)。

(4)

經計算得到聲壓數據后,從最后一個測量數據開始反向求和,計算得到反向積分后的聲壓E(t)作為各個測量時間點新的聲能數據。計算方法如式(5)。

(5)

(6)

2 實驗及結果分析

2.1 實驗簡介

本文以某放入吸聲材料的混響室為例,采用中斷聲源法和脈沖響應積分法實測其室內混響時間。中斷聲源法得到聲壓級衰變曲線,經反向積分法擬合后計算混響時間并與脈沖響應積分法測得的混響時間進行了對比分析。

選擇丹麥B&K公司的4292型無指向性聲源和發令槍作為發聲裝置,測量傳聲器選擇丹麥B&K公司的4943型擴散場傳聲器。測量時使用三腳架固定傳聲器距地面1.6 m左右,測點距離各個反射面均大于1 m。分析儀時間常數為0.008 s,以粉紅噪聲作為聲源,采用中斷聲源法測量得到頻率為100 Hz、1 000 Hz和5 000 Hz的聲壓級衰變曲線,如圖3。

圖3 不同頻率聲壓級衰變曲線

從圖3中可以看出,能量隨時間衰減的趨勢為一直線,然而不同時間上的測量值卻大多數不在理論直線上,同時也驗證了聲壓級衰變曲線在高頻情況下波動相對較小,低頻情況下波動較大的客觀事實。

2.2 方法驗證與分析

選取頻率為1 kHz的聲壓級衰變曲線應用反向積分法進行數據擬合處理,圖4是聲壓級衰變曲線進行反向積分前后的對比。

圖4 反向積分前后的聲壓級衰變曲線

由圖4可以看出,反向積分等同于重復測量多次再平均,實際測量的衰變曲線經過反向積分后,衰變曲線變得平滑了很多,便于進行下一步的數據處理并計算混響時間。換個角度來說,反向積分的過程等同于低通濾波器,將偏離理論直線的高頻振蕩濾除。另外,由圖4還可看出在反向積分后的曲線尾部出現明顯形變,原因是這部分的積分時間不夠長。這也是反向積分之所以“反向”的原因。

將中斷聲源法測得聲壓級衰變曲線經反向積分法數據擬合后的混響時間與脈沖響應積分法測得的混響時間做對比,對比結果如圖5和表1。

圖5 反向積分后數據與脈沖響應積分法對比

表1 曲線擬合后的混響時間對比

從圖5和表1的對比結果可以看出,除去曲線尾部部分,經過反向積分后聲壓級衰變曲線基本為同一斜率的直線,截取中間一段通過計算T20得到的混響時間與脈沖響應積分法相對偏差為2.5%,數據基本一致。驗證了基于中斷聲源法的反向積分法數據擬合測量混響時間的可行性與可靠性。

3 結 論

時間常數小是造成聲壓級衰變曲線發生起伏的主要原因之一。疊加室內空間聲場因素的影響,會造成聲壓級衰變曲線在高頻情況下波動較小,低頻情況下波動相對較大的情況。應用反向積分的信號處理方法改進了中斷聲源法,減少了重復測量的次數,提高了混響時間的測量效率。且反向積分的方法可以消除聲壓級衰變時出現的高頻振蕩,起到了低通濾波器的作用,實現更高的測量精度。