声强向量法对声源定向的理论和实验研究

    1 引 言

    声强度是声场的一个重要参量,自从双传声器声强度测量法问世以来,由于该方法具有一些独特的优点,如:可进行近场测量;不需要特定的声学环境(消室、半消声室、混响室)而能在现场测定机器的声功率和进行声源识别等等,从而以其巨大的实用价值而引起声学界的广泛重视。一些国家的公司更是先后研制成可供实用的声强测量仪或测量分析系统,如丹麦B&K公司的3360系统。这些专用的声强测量分析系统功能有限,价格昂贵。故近年来趋向于使双通道信号分析仪(如B&K2034双通道信号分析仪)兼具部分声强分析功能,或将分析仪与微机联机,利用专用软件包实现声强的测量和分析,该方法具有通用性强,可任意扩充功能等优点,还可实现两通道间固有相位误差等的修正。众所周知,声强度是一个矢量,它的方向也就是声源所在的方向,因此,测量声强度的方向就能实现声源的定向。由于一般的声强度探头只能测量声强度矢量的1个分量,因此要测量声强度的3个分量,从而确定声强度的方向需另想办法。虽然B&K公司有专用的声强矢量探头托架,但是价格昂贵,并难以实现6个声强探头间的幅值和相位匹配。因此在本文中,我们为日本ONO SOKKI有限公司的双传声器声强探头设计和加工了1个支撑架,使之可以转动到笛卡儿坐标系的3个互相垂直的方向,且它们的几何中心保持不变,以便测量声强矢量的3个分量,然后利用实验室的B&K2034双通道信号分析仪通过GPIB接口和微机进行通信所组成的信号分析系统[1],来测量平稳声场中一点声强矢量的3个分量,从而实现声源的定位。另外还利用日本SONY公司的四通道数字盒式磁带机对测量输出信号进行了长时间的录音以备将来做进一步分析。应用这套实验装置,我们分析了声强度对声源的定向精度,以及各种误差元素对定向精度的影响。

    2 互谱声强度法的声源定向[2~4]

    在互谱声强度测量方法中,如图1所示,任意方向ry上的声强分量谱函数可以表示为:

    其中,G12(f)是电容传声器P1和P2处的声压p1(t)和p2(t)的互谱密度函数。Q是空气的密度,Im[]表示取复数的虚部运算。$r是?r方向上两声压水听器的间距。

    要实现三维空间中的声源目标的定向,则需要空间中某一观测点处的3个互相垂直的声强分量,为此可采用如图2所示的声压传感器布置方案,其中X轴、Y轴和Z轴组成一个空间笛卡儿坐标系OXYZ。P1和P2、P3和P4、P5和P6分别位于X轴、Y轴、Z轴上,它们之间的间距都为$r,其中心都在观测点0处,则X轴、Y轴、Z轴的声强度分量分别为: