一种波形可控的脉冲声源研制

    1 引言

    脉冲回波方法(echo- impulse method) 是近年来较为常用的现场吸声测量技术。依据其工作原理, 形成了几种不同的技术方案, 它们所采用的脉冲声信号是不同的。基于 MLS 序列[1-7]的波形相减技术(subtractiontechnique) 和传递函数法(transfer function method), 使用 MLS 序列作为测量信号, 可较好地改善背景噪声的干扰。扩展脉冲技术[8-10](stretched pulse technique) 采用了一种具有较大能量的长脉冲, 一定程度上克服了单一短脉冲测量时的低信噪比问题。近年来, Fung 等[11-12]提出了一种时域声阻抗系数反演方法, 有望用于时域现场吸声测量。该方法需要重复性好且波形可控的脉冲声信号。因此, 脉冲声源的研制是所有脉冲回波法测量中的一项关键技术。

    笔者研究了一种可控波形的脉冲声生成技术, 介绍了其工作原理和声源设计方案。研制了一套脉冲声源, 该声源能够辐射需要的 3 种波形和不同长度的脉冲声信号。

    2 声源设计及脉冲声生成技术

    为满足重复性好的要求, 脉冲声源采用动圈式扬声器系统。根据吸声测量技术的需要, 脉冲声源应接近“点声源”辐射, 为此, 首先需要对声源系统进行结构设计; 其次, 利用测量数据解算该脉冲声源的频响函数,根据所要求的脉冲声输出和获得的频响函数, 求解声源的电驱动信号, 使声源能辐射需要的脉冲声信号。

    2.1 脉冲声源的结构设计

    根据脉冲声信号要求, 扬声器应具有较好的中低频响应特性。笔者选择了“惠威”S5R 低中音扬声器单元。为了实现近似的“点声源”辐射, 采取以下结构设计: (1) 振膜前面加一圆锥形的渐变截面管和一直管,使辐射面积接近“点声源”; (2) 将扬声器用金属材料包裹, 振膜的后面加海绵类吸声材料, 防止声音的反射。

    在放置扬声器的地方设置两种固定位置, 可放置不同型号扬声器,前面的直管分为粗、细两种, 且长度可以改变。声源结构如图 1 所示。

    2.2 脉冲声源频响函数的确定

    笔者使用脉冲 FFT 方法求解频响函数: 用一脉冲信号激励声源, 用传声器接收输出信号, 对输入与输出信号进行傅里叶变换, 根据下式

    可解算声源的频响函数。激励信号的选择主要考虑以下原则: 首先, 信号的时域特征是光滑( 无突变)、振荡型的脉冲信号, 便于扬声器响应; 其次, 信号的重复性好, 以便可以进行多次测量平均而消除随机噪声干扰;另外, 信号的频谱特征易改变, 计算简单。基于以上考虑, 笔者选择 Butterworth 低通滤波器脉冲响应信号作为求解频响函数的激励信号。该信号的时域特征是衰减的振荡波形, 频谱在中低频区域是常数, 通过改变阶数和截止频率可以调节信号。笔者选用 10阶、截止频率 5 kHz 的 Butterworth 脉冲响应信号, 如图 2 所示。实验测量系统连接如图 3 所示。