基于声场控制技术的材料声学特性测量方法研究

The absorption coefficients of sound absorbing materials are important in the field of acoustical design and noise control. The measurements of the coefficients are mainly using the standing wave tube or the reverberant room, which are belong to laboratory methods and not suitable for measurement in situ in the range of low frequency. A method based on sound field control with loudspeaker array is proposed to generate plane wave field in the region above testing surface. Combined with the array signal processing technique, the sound pressure level out of the region can be reduced. This method mainly has two advantages: 1. Base on the plane wave field in the testing region, the iterative procedure for the spherical assumption which introduces errors is not necessary. 2. With the focusing property, the reflection from the surrounding and the diffraction from the edge of the materials can be decreased. This research will promote the practical application in the area of absorption measurement with sound field control technology.

材料的吸声系数是噪声治理和声学设计的重要理论依据。目前声学材料的吸声系数测量方法无法满足低频现场测量的要求。本项目拟基于声场控制技术，使用扬声器阵列，在被测材料表面通过声场重现方法产生局域平面波，并结合阵列信号处理方法，尽量降低目标区域外的声能量，减小测量环境的影响。此方法主要有两个优点：1、可将扬声器阵放置于距离材料较近的位置，避免了单个扬声器随频率降低带来的球面波问题，不需要使用递归算法或球面波模型进行补偿；2、由于声源的聚焦特性，可降低房间环境反射和材料边沿衍射等因素带来的结果误差。该研究的理论突破将为基于声场控制技术的吸声系数低频现场测量扫清障碍，推动扬声器阵列应用于吸声测量的研究向实用化方向发展。

吸声系数以及声阻抗反映了材料的宏观声学特性，是噪声控制与声学设计的重要理论依据，现有对材料吸声特性进行现场测量的方法存在低频测量误差大的问题。本文将基于扬声器阵列的声场控制技术引入到声学测量领域，利用最小二乘法在待测材料附近的一块区域内进行平面波声场重建，解决了现有测量方法在低频时无法产生准确平面波的问题，为低频段材料吸声特性的准确测量提供了保障。本文的主要内容及创新点如下：.（1）提出了一种利用扬声器线阵列对材料吸声特性进行现场测量的方法。该方法利用最小二乘法在被测材料附近的一块区域内进行平面波声场重现并结合传递函数法对材料的吸声系数以及声阻抗率比进行测量。实验表明该方法能够对材料在300-1600 Hz频率范围内的吸声系数以及声阻抗率进行准确测量，相较于单个声源的测量方法，该方法具有更低的频率测量下限。.（2）针对线阵列测量方法中存在的阵列各单元频响不一致以及声场重建维度有限等问题，提出了一种移动单个扬声器形成虚拟面阵对材料吸声特性进行现场测量的方法。在半消声室中利用该方法对三聚氰胺泡沫的吸声特性进行了测量，实验表明该方法能够准确测得材料在200-1600 Hz频率范围内的吸声特性。.（3）针对在室内对材料吸声系数进行现场测量的场景，将声场聚焦技术引入到材料吸声系数测量方法之中，提出了基于多区域声场重建的测量方法，该方法通过在目标区域形成指向性波束来减小混响声对测量结果的影响，仿真表明：由于声聚焦会损失平面波声场重建性能，所以这种方法在低频时测量结果不理想；随后提出了基于脉冲截断的测量方法，该方法通过对脉冲响应进行截断来达到去除混响声的目的，通过实验验证了方法的有效性，并讨论了对测量结果的影响因素。.本文的研究结果证明了声场控制技术能够解决现有测量方法中存在的低频测不准问题，对扬声器阵列在声学测量方面的应用具有指导意义。