室内声学测量中传声器阵列的特点及其应用

    1 引 言

    室内声学研究的主要目的之一，是运用测得的反映房间本身声学特性的客观参量来精确而客观地描述声场，为厅堂音质研究提供客观依据。但是，单个传声器接收的脉冲响应测量只能得到室内声场随时间变化的特性，无法满足声场空间特性测量的要求。相比之下，使用传声器阵列，就可以测量房间的方向性脉冲响应函数，从而获取较全面的声场空间信息。

    传声器阵列测量最早出现在水声和超声领域，后来在噪声测量方面也渐渐得到重视，近年来，许多学者致力于将传声器阵列应用于室内声学测量的研究[1-13]，使用传声器阵列对空间多点声压进行测量，再通过计算得到相应平面行波的能量及方向等信息。虽然传声器之间的匹配问题以及传声器个数过多对声场产生的影响会带来一定的局限，但是不可否认，传声器阵列在获取声场空间信息方面具有很大的优势。

    本文首先介绍了各类典型的传声器阵列，对各种传声器阵列在实际测量中的优势和不足进行了分析。同时，根据一些室内声学测量中的具体实例，进一步阐述了运用传声器阵列测量声场方向信息的特点。

    2 传统的几种典型传声器阵列

    2.1 一维线阵列

    最简单的一维传声器阵列为均匀排列的线阵列。若 N 个阵元的阵列沿 x 轴等间距均匀排布，且每个阵元传声器的灵敏度相同。当一平面波的入射方向与 x 轴的夹角为0θ 时，阵列在 θ 方向的输出可表示为[14]：

    其中，θ 表示平面波的入射方位与 x 轴的夹角，f 表示声波频率，c 表示介质中的声速，d 表示阵元间距。如图 1[14]所示。

    若各阵元的权数取值相同，令 u = kd (cosθ−0cosθ  )，则经化简可得：

    各种不同的一维线阵在室内声学中的应用较为广泛。早期主要用于测量材料的反射及散射特性[15]，后来常见于房间扩散特性的测量以及噪声环境下语音信号的拾取[16]，如杨益新[17]提出的一种语音增强阵列，使用一个 5 元均匀线阵来接收端射方向带噪线性调频信号和语音信号，然后进行时域宽带超增益处理。通过图 2 的前后对比可知，语音增强效果非常明显。这种方法的优点是它不仅可以抑制空间均匀噪声，而且可以抑制有向干扰，其性能优于基于单个传声器的语音增强系统。除此以外线阵列还可以用于近场声全息信息的测量[18]。当然，使用声强传声器阵列也是一种较为实用的方法。例如吕钱浩等[19]提出的使用矢量传感器阵列来进行声场测量。取 3 个相互垂直的速度传感器分别测量沿坐标轴声速分量，将这 3 个速度传感器和一个声压传感器共点放置作为一个矢量传感器阵元，对远场放置的3个互不相关的声源进行定位。这种方法计算比较简便，定位产生的旁瓣较低，适合低信噪比情况下的的声源目标估计。