（声学专业论文）运用旋转双传声器进行声场空间特性的测量.pdf

摘要 摘要 室内声学研究的主要目的是为了得到良好的声学效果及优质的听音环境， 其研究手段是客观测量和主观评价。本文首先针对目前声场的客观测量方法及 主观评价参量的发展现状进行了较为全面的介绍及评述，其中重点介绍了声场 空间特性测量的研究现状。主要研究内容是在测量方向脉冲响应的单传声器r r s 系统的基础上，针对其存在的局限性，提出了双传声器r r s 测量系统。 房间对脉冲声源的响应一直是室内声学测量的基础和出发点，随着对声场 空间特性研究的发展，单通道无指向性接收系统已不能满足测量的要求，通过 各种指向性传声器、声强仪、声场传声器、传声器阵列、人工头以及用旋转单 传声器模拟传声器阵列等手段进行室内声学测量的方法相继出现。 相比较而言，使用单通道指向性传声器或人工头的测量方法较为简便，但 前者精度不足，且不同系统的测量结果之间可比性差；后者得到的是声场经过 人头、人耳响应后的计权结果，不能完全反映客观声场本身的特性。传声器阵 列测量法可以得到各个方向入射声的声压随时间变化的关系，原则上更适合于 用来进行室内声场空间特性的测量，但由于系统存在相位匹配以及多通道信号 接收等问题，较少用来进行室内声场的测量。旋转单传声器测量法克服了传声 器阵列测量法中相位匹配及多通道信号接收的问题，但系统只能分辨半球面入 射的方向脉冲响应，存在很大的局限性。 基于上述原因，本文在旋转单传声器测量法的基础上，发展了一种旋转双 传声器的方向脉冲响应的测量系统，主要工作如下： 首先，根据传声器阵列测量的基本原理，提出了一个由周期性地重复激发 的声源配合缓慢旋转的双传声器接收组成的测量系统( 简称双传声器r r s ) 。通 过信号处理手段可以得到方向脉冲响应，系统可以分辨空间任意方向入射的脉 冲信号，克服了旋转单传声器的局限性，文中详细叙述了系统的测量原理。 其次，通过消声室中的测量以及计算机模拟实验详细分析了旋转双传声器 系统的测量性能。 最后，文中给出了利用旋转双传声器在实际厅堂中的测量结果，并初步分 析了厅堂方向脉冲响应的实际应用。 摘要 本文工作仍处于研究阶段，尚存在许多值得改进和探讨之处。特别是信号 处理过程中所采用的波束形成技术仍存在一些问题，需要进一步的研究工作予 以解决。 关键词：室内声学测量，方向脉冲响应，旋转双传声器系统 a b s t r a c t t h em a i np u r p o s eo fr o o ma c o u s t i cs t u d yi st op r o v i d e ag o o ds o u n d q u a l i t ya n d a g o o d a c o u s f i c f le n v i r o n m e n t i nt h i s p a p e d e v e l o p m e n t s o n o b j e c t i v e m e a s u r e m e n t sa n ds u b j e c t i v ee v a l u a t i o n sa r ew e l lp r e s e n t e d ，w h i c hf o c u s e so nt h e o b j e c t 】y em e a s u r e m e n t so f s p a c i o u sc h a r a c t e ro fs o u n d f i e l d r o t a t i n g d u a l 。m i c r o p h o n es y s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r r o o mi m p u l s er e s p o n s ei s v e r yi m p o r t a n tf o rr o o ma c o u s t i c a lm e a s u r e m e n _ t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p a c i o u sc h a r a c t e ro fs o u n df i e l ds t u d y , o l n i d i r e c t i o n a l t e s t i n gs y s t e mp r o v e st ob eu n s a t i s f a c t o r y d i f f e r e n tk i n d so fd i r e c t i o n a lm i c r o p h o n e s s o l m di n t e n s i t yi n s t r u m e n t s ，m i c r o p h o n ea r r a ya n da r o t a t i n gm i c r o p h o n ea r ea p p l i e d t ot h em e a s u r e m e n to f s p a c i o u s n e s so fs o u n df i e l d m o n o 。c h a n n e ld i r e c t i o n a l m i c r o p h o n em e a s u r e m e n ta n d d u m m yh e a d m e a s u r e m e n ta r ee a s yt o o p e r a t eb u t 也em o n o c h a n n e ld i r e c t i o n a lm i c r o p h o n e m e a s u r e m e n tl sn o tv e r yp r e c i s ea n dt h er e s u l t sc a n n o tb eo m i t t e da m o n gd i f f e r e n t m e a s u r e m e n ts y s t e m s t h e d u m m yh e a dm e a s u r e m e n ts y s t e mi sm i x e dw i t h r e s p o n s e so fh u m a nh e a da n dh u m a np e r c e p t i o n st h a tc a n n o tr e p r e s e n tt h ec h a r a c t e r o fs o u n df i e l dc o m p l e t e l ya l s o m i c r o p h o n ea r r a ym e a s u r e m e n tc a l lo b t a i nt i m e v a r i a n ts o u n dp r e s s u r eo f d i f f e r e n ti n c i d e n tw a v es i m u l t a n e o u s l y i ti st h e r e f o r em o r es u i t a b l e t od e p i c tt h e s p a c i o u sc h a r a c t e ro fas o u n df i e l d h o w e v e r , t h ep r e c i s i o ni sh i g h l yr e l a t e dw i t ht h e n u m b e ro fm i c r o p h o n eu s e d ，t h em i c r o p h o n e sd i s t r i b u t i o na n d a r r a n g e m e n t b e s i d e s t h ep h a s ec o r r e c t i o ni sac r i t i c a la n dd i f f i c u l t q u e s t i o nt oh a n d l e t h i sm e t l l o di s s e l d o ma d o p t e di nt h em e a s u r e m e n to fr o o ma c o u s t i c s a r o t a t i n gm i c r o p h o n e m e a s u r e m e n ta v o i d sal o to fc r i t i c a lp r o b l e m si nm i c r o p h o n ea r r a y h o w e v e r , t h e s y s t e mo n l yc a l li d e n t i f yt h ed i r e c t i o no ft h ei m p u l s er e s p o n s ei nh e m i s p h e r e b a s e do nt h er e s e a r c h e sm e n t i o n e da b o v e ，t h em a i nw o r ki n t i f f sp a p e rt o p r o p o s er o t a t i n gd u a l m i c r o p h o n es y s t e mt oa c q u i r ed i r e c t i o n a li m p u l s er e s p o n s e f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct e n e t so ft h em i c r o p h o n ea r r a y , an e w m e a s u r i n g i h a b s t r a c t s y s t e md u a l m i c r o p h o n er r si sp r o p o s e d i ti sm a i n l yc o m p o s e do far e p e a t a b l e i n s p i r i t i n gs o u n ds o u r c ea s s o c i a t e dw i t ht w om i c r o p h o n ef i x e do i ls l o w l yr o t a t i n g p l a t f o r m w ec a l lg a i nd i r e c t i o n a li m p u l s er e s p o n s eb ys i g n a lp r o c e s s i n g ，t h es y s t e m c a l ld i s c e r n e dd i r e c t i o n a li m p u l s er e s p o n s ei na l ld i r e c t i o n t h em e a s u r e m e n t p r i n c i p l eo f t h es y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h em e a s u r i n gp e r f o r m a n c eo ft h ed u a l m i c r o p h o n er r s i sg a i n e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o na n da n e c h o i cm e a s u r e m e n t i nt h i sp a p e r , t h em e a s u r e m e n tr e s u l t sb yd u a l - m i c r o p h o n er r si nt h eh a l li s p r e s e n t e d ，a n da n a l y s i st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ed i r e c t i o n a li m p u l s er e s p o n s e p r e l i m i n a r yr e s e a r c h e sa l ei n t r o d u c e d i nt h i s p a p e r t h e r ea l es t i l l s o m e i m p r o v e m e n t sn e e d e d f o re x a m p l e ，t h e r e a r es t i l ls o m ep r o b l e m si n s i g n a l p r o c e s s i n gu s e db yt h eb e a m - f o r m i n gt e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，i tn e e d sf u r t h e rs t u d yt o b er e s o l v e d k e yw o r d s ：r o o m a c o u s t i c a lm e a s u r e m e n t ，d i r e c t i o n a l i m p u l s er e s p o n s e ， d u a l m i c r o p h o n er r s i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：7 移名彩 删年哆月f 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 传磊易 娜g 年弓月d 日 第一章引言 第一章引言 厅堂音质问题一直是室内声学领域里的一个热门研究方向，其主要研究方 法是客观测量和主观评价。客观测量是通过对声信号的测量得到有关声场特性 的客观物理量，从而能够通过定量的方法更好地表达房间的声学环境。主观评 价就是通过大量人员的实际感受，用各种主观参量来描述声场。本文主要研究 内容是提出一种针对室内声场空间特性方向脉冲响应的客观测量方法。本 章主要是对目前声场的客观测量和主观评价的发展现状进行简单介绍。 1 1 室内声场的研究方法 1 1 1 声场客观的测量和音质的主观评价 实际中的室内声场十分复杂，它一方面随声源信号及位置的变化而变化， 另一方面又与房间的容积、体形，包括各种悬挂物以及建筑材料的反射吸收和 分布紧密相连。完整地描述声场的客观物理量不仅仅是时间、位置的函数，而 且还与声传播方向及其频率特性有关【l 】。因此与自由声场不同，室内声场一般无 法通过波动声学的方法求得严格解，理论上只能在扩散场的前提下用统计平均 的方法得到声场能量密度的变化，或者在镜面反射的假设下用几何声线法得到 高频近似的结果。 客观测量和主观评价是室内声场研究的基本方法。声场的客观测量就是使 用各种实验接收装置，通过对声场的客观物理量如声压、声强、混响时间、声 能比、侧向反射因子等的测定来描述声场，从而能通过定量的方法来表达厅堂 的音质、教堂的听闻环境以及壁面的吸收散射特性等，这是室内声场必不可少 的研究手段【2 j 。 另一方面，对室内声场研究的根本目的是使其具有良好的听音环境，而这 一效果的最终评判取决于人们的主观感受。主观评价就是通过大量人员的实际 感受，用各种主观参量描述声场，并通过统计的方法测评房间的声环境状况， 这是室内声场另一重要的研究手段p 4 ，5 j 。 第一章引言 总之，客观测量和主观评价是室内声场研究的基本方法。 1 1 2 室内声场测量技术的发展 在室内声学研究中，评价声场的客观参量可以分为两类：一类为声场的时 间、能量评价参量，如混响时间、早期衰变时间、初始延迟时间间隙、相对强 感以及早后期声能比等，其单通道的脉冲响应测量方法已较为成熟，并得到了 广泛的应用；另一类为声场的方向性空间评价参量，如声场扩散因子、侧向反 射声能比以及耳间互相关因子等，相应研究还处于发展阶段，且正受到越来越 多的关注，并逐渐成为建筑声学研究的热点。 早期人们一直以混响时间作为评价室内音质的主要参量，以室内扩散声场 在声源切断后的衰减规律予以测定。1 9 6 5 年s c h r o e d e i l 6 】提出了脉冲响应积分法 测定混响时间的新方法。房间脉冲响应因此成为室内声场测量的基础和出发点， 通过脉冲响应的测量可以得到房间及壁面声学特征的各种物理量。 随着计算机技术的发展，得到房间脉冲响应的方法也不再是直接使用脉冲 声源，而是通过计算机生成数字的电信号，然后激发无指向性扬声器发出声信 号，它的主要优越性一方面在于可以使用自相关函数为理想脉冲函数的电信号， 为进一步得到房间的脉冲响应提供基础；另一方面在于测量可以精确地进行重 复，从而有利于对信号进行各种处理，也有利于通过叠加技术提高信噪比。数 字化的电信号经过声源系统以及房间的响应，再通过接收系统得到测点处的声 压信号，借助叠加技术、相关技术、卷积及反卷积技术等成熟的信号处理技术， 可以方便地得到脉冲响应函数。 以单通道声压测量为基础的脉冲响应测量使人们对声场的时间特性已经有 较清晰的了解。随着声学测量技术水平的提高，人们对声场空间特性的研究给 予了越来越多的关注，并逐渐成为室内声学研究的热点。 通常声场空间特性是通过指向性传声器、声强仪或传声器阵列的测量，得 到特定方向的入射能量或声场的方向性脉冲响应函数。方向性脉冲响应函数不 仅反映了声场中到达脉冲的能量、时间、频率特性，同时还包含了脉冲入射方 向的信息，进一步则可以得到关于声场扩散、能量流动等物理特性，也可以从 中得到与音质空间感相联系的客观参量。 2 第一章引言 1 1 3 厅堂音质主观评价的发展 厅堂音质的好坏取决于人们的主观感受，丰满、活跃、温暖、干涩、沉寂、 亲切、清晰、空间感、环绕感等，都是属于描述人们对音质的主观感受的指标。 从s a b i n e 发表著名的混响时间公式至今，经过一百多年的发展，人们对厅 堂音质的实质已经有了越来越深的认识，相应的音质描述和评价也从单一的混 响时间发展到现在的与时间、空间、频率相关的多参量系统。由于能够直接表 述房间客观特性的是房间的脉冲响应，因此室内声学的主要研究对象就是房间 的脉冲响应函数，通过研究直达脉冲以及各个反射脉冲的强度、到达时间、方 向以及频率，找寻它们与主观音质评价的关系就是基本的研究手段。 1 9 6 2 年，b e r a n e k e 7 】就在音乐、声学和建筑一书中提出了声场环绕感的 概念，指出环绕感与墙、天花板等表面扩散性有关，并认为声场的扩散性越好， 其环绕感就越强。1 9 6 6 至1 9 6 7 年，m a r s h a l l 8 9 】提出了声场空间感的概念，并提 出了空间感与早期侧向反射声的关系。1 9 6 8 年，k e e t 1 0 】首次定义了空间感的主 观参量：表观声源宽度，并将其与早期反射声、声级以及两扬声器发射信号的 相关程度相联系。从此，许多科学家开始进行空间感的主客观参量研究。1 9 7 1 年，b a r r o n 1 1 】用侧向反射因子作为描述音质空间感的客观参量。1 9 8 1 年， b a r r o n 1 2 】通过主观测试，认为将早期侧向反射因子用中低频进行平均后的值， 与主观空间感的线性关系更好。1 9 9 5 年m o r i m o t o 1 3 1 指出表观声源宽度不仅正比 于早期侧向反射因子，而且还与声音的强度有关。1 9 9 5 年，b r a d l e y 1 4 j 5 】将后期 侧向反射因子与听众包围感联系起来，从此空间感参量被归结为表观声源宽度 和听众包围感两项。关于空间感主客观的参量研究再一次进入了高潮【1 6 1 。 厅堂音质空间感这一主观参量的研究的重要基础就是声场空间特性的客观 测量。 1 2 声场空间特性测量的研究现状 由于室内声场的空间特性较为复杂，在客观描述上受到测量技术的限制， 近年来，随着计算机测量技术的发展，相关研究正处于由粗略转为精细，由定 性向定量发展的逐步完善的状态。 3 第一章引言 1 1 2 1 声场空间特性的客观测量 室内声场的测量系统由声源系统、接收系统以及用于信号处理的计算系统 组成。通常测量系统中的接收装置为无指向性测量传声器，但随着室内声学理 论和实验的发展，单通道无指向性接收系统已不能满足测量要求。围绕声场空 间特性的研究，需要各种更加复杂的指向性接收系统，如各种指向性传声器、 声场传声器或声强仪以及传声器阵列等。 室内声学测量中，方向性脉冲响应一般用于测量声场的空间感参量。用于 测量的指向性传声器有心形、8 字形、y 字形等【1 7 】。虽然这种测量方法原理简单、 操作方便，但总体上精度不够。心形传声器指向性不够强，0 9 0 度之间的最大 声能比仅6 d b 左右；8 字形传声器只能得到两个侧向的余弦计权后的总反射声， 而不能将两个侧向分离出来。 还有一种多传声器组合的测量方法是传声器阵列法，此方法首先在水声和 超声领域得到了充分的发展 1 8 , 1 9 ，在语言识别等声领域范围内则主要应用于空间 声源的识别和定位。这种方法基于波传播和干涉叠加的基本原理，以一定规则 排列的多个测点声压值，通过信号到达各测点的时间差进行声源定位或使用相 位修正以及计权叠加进行“波束形成 ，再通过搜索的方法给出声源定位【2 们。 传声器阵列法得到的是各个方向入射声的声压随时间的变化关系，原则上 更适合于用来进行室内声场中空间特性的细致描述，不足之处是其测量精度不 仅受到传声器个数、空间分布范围及分布方法的限制，还受到传声器相位匹配 等因素的限制，而且大量传声器的使用不仅会对声场分布造成影响，也增加了 系统的复杂性，降低了方法的实用性，因此较少应用于室内声场测量领域。 基于上述原因，2 0 0 6 年赵跃英【2 1 盈】在前人工作的基础上，发展了一种简便 实用的方向脉冲响应的测量系统单传声器r r s 测量系统，并将其应用于实 际声场的测量。 1 2 2 单传声器r r s 系统的介绍 2 0 0 6 年，赵跃英提出了利用单传声器旋转装置测量方向脉冲的r r s 系统。 该系统针对室内声场测量的特点，使用一个可重复发射的声源以及固定在转动 平台上的无指向性测量传声器，实现传声器阵列的测量，以得到声场的方向性 脉冲响应以及关于能量传递、声场扩散以及音质空间感客观参量，为今后对音 4 第一章引言 质评价中空间感的进一步研究打下基础。这一系统不仅克服了传声器阵列测量 法中相位匹配等技术困难，而且也避免了大量传声器间的相互影响及其对声场 的干扰。 1 2 2 1 单传声器r r s 系统的设计要点 测量系统由计算机控制的声源系统和接收系统组成。声源为由计算机生成 的可重复数字化信号激励的扬声器，记激励信号的重复周期为t ，信号的持续时 间小于t 2 ，适当选择周期t 的长度使其为室内混响时间的两至三倍，以保证相 邻周期内信号不会相互混迭，但同时需满足在不同周期内室内声场完全相同。 优先选用调频信号作为输入的电信号，因为调频声波可视为频率随时间缓慢变 化的谐波，不仅信号处理方便，而且其频率范围可严格控制，在对接收声信号 进行处理时可保证排除混迭效应的干扰。 接收系统测点和坐标如图1 1 所示，声场中的声信号由一个固定在转动平 台上的无指向性测量传声器接收，记传声器与转轴的垂直距离为r ，垂点记为0 ， 在声源重复发射声信号的同时，使转动平台缓慢而匀速地转动，且保证在整数n 倍的时间n t 内，转动平台刚好转过一周。这时传声器相应地沿着以0 为圆心、 r 为半径的圆周上转过2 7 【弧度。将n t 时间内连续测得的数据分段，可得n 个持 续时间为t 的声信号p 一( f ) ，( 以= 1 , 2 加，所得的结果等效于缓慢转动的、圆 周上均匀分布的n 个传声器组成的阵列实时测量所接收到的声信号。 5 第一章引言 国 转轴) 削 u 舞。 ，一一 。 翁u ，|( ? ijo - r 7 。 ：厂 彪一最 li 图1 1 测点和坐标系示意图 借助上述由重复发射配合转动传声器所组成的系统进行测量的技术简称为 r r s 测量技术。它的基本特点是：通过对信号的后期处理，修正传声器转动的影 响，将单个传声器在n t 时间内的重复测量转化为n 个传声器阵列在时间t 内的 实时测量。 1 2 2 1 单传声器r r s 系统的局限性 单传声器r r s 系统模拟的是圆形阵列，设脉冲入射方向为( 秒，咖，其中目是 指入射方向与z 轴的夹角，为入射方向在x y 面的投影与x 轴的夹角。对于图 1 1 中所示的圆形阵列，脉冲入射方向( 秒，矽) 和仞一0 ，矽) 是完全对称的。由无指 向性的传声器测得时间域上的脉冲响应吃( f ) 后，需要利用波束形成技术进行处 理才能得到从( 曰，勿入射方向脉冲响应厅( f ，0 ，矽) 。 。 1 ， h ( r ，0 ，矽) = 专 。( f 一气) ( 1 1 ) o n = l 其中n 指的是单传声器旋转系统所模拟的测点数，吒是指沿着入射方向 ( 秒，矽) 各测点与圆形阵列中心点0 的相对声延时。同理可得从协一0 ，勿入射的方 向脉冲响应： 1 ， h ( r ，万一0 ，矽) = 专j l i 。( f f ：) ( 1 2 ) 6 釜= 童呈! 宣 其中i n 是指沿着入射方向( 万一0 ，咖各测点与圆形阵列中心点0 的相对声延 时。对于圆形阵列而言( p ，) 和仞一秒，) 两个入射方向是完全对称的，因此： f 。= f ： ( 1 3 ) 进而可得： h ( r ，0 ，矽) = h ( r ，万一目，矽) ( 1 4 ) 式( 1 4 ) 表明用单传声器r r s 系统进行声场测量时，所测得方向脉冲响应 在沿水平面对称的两个方向【，纠和【万一，纠上是完全一样的，也就意味着，即 使实际声场中只从【，力单个方向有脉冲传来，经过系统处理后，不仅在( ，矽) 方 向能测得脉冲，并且还在协一，纠方向得到一个完全一样的脉冲；或者，当同 时有两脉冲j l i t 、办z 分别沿( 臼，彩和协一目，彩入射时，经过系统测量处理后，在两 个方向得到脉冲响应均是以- + 厅z ，即系统无法区分同时沿水平面对称方向入射的 脉冲。 系统存在的主要不足之处就是由于测点在传声器旋转平面内对称分布，在 利用波束形成技术进行信号处理时，若声波同时沿传声器旋转平面上半部和下 半部对称方向入射时，系统则无法分辨，即系统只能分辨半球面内入射的声波。 1 3 本文的主要研究内容和创新点 通过方向脉冲响应的测量，精确细致地描述客观声场、系统地给出声场中 各种相关因素及其与厅堂音质之间的关系是室内声学研究的必然趋势。本文的 主要研究内容是在现有的单传声器r r s 测量系统的基础上，针对其局限性，提 出了双传声器r r s 测量系统。文中叙述了双传声器r r s 测量系统的基本原理以 及其测量性能。 本文的创新点主要有两个：第一，对于单传声器r r s 系统，受到平面阵列 本身特性的限制，单个传声器旋转形成的圆形阵列的测量无法将阵列上方和下 方的两个半空间分离开，在此我们提出使用两个匹配的传声器在不同平面内同 步旋转，形成由两个圆形阵列组成的空间阵列，可以进一步辨别由阵列上方和 下方入射的脉冲，这既是本文的主要创新点。第二，对波束形成技术中的算法 进行了改变，使测量系统的方向分辨能力有明显提高。 7 第二章旋转双传声器系统的基本原理 第二章旋转双传声器系统的基本原理 通过单传声器系统测量得到的方向脉冲，无法将上半球面和下半球面的入 射方向分辨出来，为了得到空间各个方向入射的脉冲响应，本章在单传声器测 量系统的基础上提出了双传声器r r s 测量系统，它可以测量全空间范围内的方 向脉冲响应。本章的主要内容是介绍此测量系统的基本原理。 2 1 测量系统的组成 测量系统由计算机控制的声源系统及接收系统组成。声源为由扫频信号重 复激励的扬声器，记重复周期为t ，信号的持续时间小于t 2 。适当选择周期t 的长度，使其为室内混响时间的两至三倍，以保证相邻周期内信号不会相互混 迭，并保证在不同周期内室内声场完全相同。 测量系统坐标如图2 1 所示，接收装置为固定在转盘上的无指向性测量传 声器，当转盘缓慢匀速转动时，两传声器分别在两个不同的高度的平面内转动， 扬声器发出的声信号经房间响应后由接收系统接收，记传声器与转轴的垂直距 离分别为r 。、r 。，垂点分别为0 。、0 2 ，并记两垂点间距为d ，它们的中点为测量 中心o 。 8 第二章旋转双传声器系统的基本原理 图2 1 双传声器测量系统坐标示意图 口一传声器 日卜模拟测点 z 轴为转轴 在声源重复发射声信号的同时，使转盘缓慢而匀速地转动，且保证在整数n 倍的时间n t 内，转盘刚好转过一周，这时两传声器均相应转过2 万弧度。将n t 时间内连续测得的数据分段为n 段，并将两个传声器得到的声信号分别记为 p 一( f ) 0 = 1 , 2 ) p 2 n ( f ) ( 刀= 1 ，2 m ，所得的结果等效于两个轴线重合不 同高度的圆形传声器阵列实时测量所接收到的声信号，而阵列中各个测点转动 的影响可以通过数据处理进行修正。 2 2 波束形成原理 波束形成技术最初主要用于传声器阵列的声源定位。传声器阵列是指由一 定的几何结构排列而成的若干个传声器组成的阵列，它具有很强的空间选择性， 而且不需移动传声器就可获取移动的声源信号，同时它还可以在一定的范围内 实现声源的自适应检测、定位及跟踪，这使得它在诸多领域有着广泛的应用。 传声器阵列声源定位是指用传声器阵列拾取声音信号，通过对多路声音信号进 行分析与处理，在空间域中定出一个或是多个声源的平面或空间坐标，即得到 9 第二章旋转双传声器系统的基本原理 声源的位置【2 0 】。 2 2 1 波束形成技术的介绍 波束形成技术的基本思想就是将各阵元采集来的信号进行加权求和形成波 束，通过搜索声源的可能位置来引导该波束，修改权值使得传声器阵列的输出 信号功率最大。在传统的简单波束形成器中，权值取决于各阵元上信号的相位 延迟，同时相位延迟和声达时间延迟有关，因此叫做延时求和波束形成器。 设传声器阵列系统有n 个位于= ( x ny 。，z 。) ( n = 1 ，n ) 的无指向性传 声器组成，声源发出全频带的脉冲信号为吃，沿方位角( b ，绣) 向传声器阵列入 射，脉冲由声源达到中心测点0 的时间为f 。，到达第n 个测点所需要的时间为 一f 船，计各传声器测得的脉冲信号为办。( f ) ，不考虑噪声的影响，可得： 厅。( f ) = k 。吃( f f o + f 。) ( 2 1 ) 其中屯为脉冲强度的衰减系数，在一般考虑脉冲以平面波形式入射时，可 以看作七。的值均相等。对应空间某方向( 巳，屯) ，计算阵列各传声器位置与中心 测点的相对声延时f 一，用波束形成原理可得此方向的入射脉冲为： h o ( o ，丸) = 寺厅。( f f 榭) ( 2 2 ) 当方向( 吒，丸) 与声源方向( 位，九) 一致时，f 栅与一致，若忽略屯之间的 差值，均取为，可得： ( 民，丸) 2 专善吃p 一) 2 等善吃。一t o ) 2 3 此时，n 个脉冲在时域中完全重合，上式可写为： ( 吒，九) = k o 吃 一) ( 2 4 ) 即此时的方向脉冲( o m ，丸) 与实际中沿( 吒，丸) 方向入射的脉冲完全一样。 当( 既，丸) 与声源方向( 见，纯) 存在偏差时，n 个脉冲在时域中离散，作为叠 加后的( 氏，九) 不再是脉冲函数，随离散程度的增大而减小。 以上所述即为波束形成技术，由此得到的声压信号加强了沿( 巳，丸) 入射的 波束信号，同时压制了从其它方向入射的波束信号，即相当于传声器系统有很 强的方向选择性。波束形成技术是双传声器r r s 系统的理论基础，通过此信号 1 0 第二章旋转双传声器系统的基本原理 处理方法使由无指向性传声器组成的阵列可以测得方向脉冲响应。 2 2 2 改进后的波束形成技术 单传声器r r s 系统中，所使用的信号处理方法是2 2 1 中所述的波束形成 技术，实际应用中，其方向分辨能力并不令人满意。本文所提出的双传声器系 统中，对2 2 1 中的波束形成技术进行了部分的改动，以达到更好的性能。 波束形成技术中，第一步是使各测点测到的脉冲厅。0 ) 针对特定方向【，九) 进行延迟移位处理得到玩 一l 。) ，这相当于使各测点信号中由【，九) 入射的 波包聚焦到时域上的相同位置。第二步是进行时域上的叠加处理，用以加强此 脉冲波包，如式( 2 2 ) 所示。本文所采用的新处理方法中，在完成上述第一步 的时延移位后，第二步则是通过信号之间的两两相乘，然后叠加，得到方向脉 冲响应，此时的脉冲不是声压形式，而是能量形式。即将式( 2 2 ) 改为： 厂 1 2n ， h ：( e m ，九) - - i h n ( t - - t 。) | - k 。( t - - t m ) 2 j ( n - 1 ，n ) ( 2 5 ) l n = lj n = l 用式( 2 4 ) 中的处理方法，能明显地提高系统的方向分辨能力，如图2 2 所示。 第一章旋转双传声器系统的基本原理 趔 斗 n = l - - ( 2 1 8 ) 虽然这两个方向性脉冲响应在时域上是分离的，但仅仅使用叠加的方法虽 然没有被进一步加强，也没有有效地被抑制，仍然存在两个比实际入射脉冲幅 度减小6 d b 的峰值。 为了解决这一问题，根据两个方向性脉冲响应时域上分离的特点，使用相 乘的方法，即进一步将两个同方向的聚焦结果相乘并进行时间平均，有 瑶( 气，先，丸) 蛾1 ( f 。，吒，九) 厅。0 2 ( f 。，色，丸) r 夕19 、 其中符号 表示对时间a