专利名称：平面二维矢量声强的测量方法及测量频带可调的测量探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及声音强度的测量方法及测量探头。
背景技术：
目前常用的声强测量方法是双传声器互谱声强测量法，通过两个相距一定间距的 传声器测量测点处的声压，从而获取某一个方向的声强量。 由于声强是矢量，既可以确定声音在空间传播的大小又可确定其方向，因而测量 空间内的三维矢量声强，可以有效地解决噪声源的定位、声源排队和空间声能流分布等问 题。获得声强矢量的关键是测得X、Y、Z三个方向的声强分量，这样才能确定其在空间的大 小与方向。已有的三维声强矢量的测量包括在早期，用一个一维的声强探头在同一点上对 X、 Y、 Z三个方向分别进行测量来获得，具体操作需要分三次完成采样，测量过程耗时长，不 易保证空间定位精度，只适用于稳态声场。 日本的Nittobo声学仪器公司研制出了一种MT ver2.0声强探头的旋转装置，在 其上装上B&K4181和4178型号声强探头，沿着两个紧密结合的圆形导轨旋转探头就可以测 量出X， 、Y和Z三个方向的声强矢量。丹麦的G. R. A. S公司生产的50VX型号X-Y-Z声强探 头是通过手柄上两个机械推钮来控制旋转头，使其转到三个相互垂直的方向，从而分别测 量三个方向的声强。这两种测量方法相对单个声强探头而言，测量要方便些，但测量时间以 及空间定位精度误差等并没有太大的改进。 声强是矢量，对于平面内的声源，需要测量平面二维方向上的声强分量，方可进行 噪声源的识别和声源定位等问题。目前，在平面二维矢量声强测量方面，国内外研究的相对 较少，国内还没有成型的二维矢量声强测量系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种平面二维矢量声强的测量方法及测量频带可调的测量 探头，它克服了现有的方法需要分多次完成采样，测量过程耗时长，不易保证空间定位精 度，只适用于稳态声场的缺陷。 平面二维矢量声强的测量方法包括下述步骤一、构造用于平面矢量声强测量的 正三角形(ABC)，以其中心点为测量点；所述正三角形的中心点(0)为原点确立测量的直角 坐标系XOY， X轴方向为过三角形中心且与底边BC平行的方向，Y轴方向为连接中心与顶点 A的方向；二、测量位于平面正三角形三个顶点位置处的声压，计算正三角形中心点处的声 压P。及连接各顶点和中心的朝着中心方向的声质点速度Ui(i = 1，2，3);三、建立测量点处 平面二维方向上的声质点速度U"Uy与正三角各顶点处声质点速度Ui(i = 1，2，3)之间数
学模型为 t/, = 士(〃2 _〃3); uy == u2+u3 四、根据互谱声强法原理I = Re(P* U)，计算得出平面二维方向上的声强及二维矢量声强 <formula>formula see original document page 4</formula> 测量频带可调的测量探头，它包括三个传声器，它还包括中心杆、中心滑套、三个撑杆、三个前置放大器、三个夹紧套、三个锁紧螺母、六个支杆和锁固螺母，每一个锁紧螺母旋合在一个夹紧套的端部上并把前置放大器夹紧，传声器装设在前置放大器的顶端且位于锁紧螺母外，前置放大器的信号输入端连接传声器的信号输出端，每个支杆的一端铰接在一个夹紧套的外圆表面上，每个支杆的另一端铰接在中心杆的外圆表面上，每两个支杆分别与中心杆和一个夹紧套构成一个平行四连杆结构，三组平行四连杆结构沿中心杆的圆周方向均匀分布且三个传声器所处的平面垂直于中心杆，每个撑杆设置在一组平行四连杆结构的下方，每个撑杆的一端铰接在中心滑套上，每个撑杆的另一端铰接在一个支杆的杆身上，中心滑套套在中心杆上，锁固螺母旋合在中心杆外圆表面上所开的外螺纹上并且位于中心滑套的下端处。 本发明的装置向上或下移动中心滑套4就能通过撑杆5带动平行四连杆机构运
动，从而改变传声器之间的距离，从而调整测量的频带。本发明的方法和装置一次采样就能
完成测量工作，克服了现有的方法需要分两次完成采样，测量过程耗时长，不易保证空间定
位精度，只适用于稳态声场的缺陷。本发明的优点是可保证定位精度、快速简便、通过一次
测量即可获得平面声场中两个方向的声强分量。 本发明的有益效果体现在 1、本发明通过一次测量即可获得平面声场中测点处两个方向的声强分量，保证了测量的定位精度，简化了测量过程，节省了测量时间； 2、本发明可实现平面内X、Y两个方向的矢量声强分量的测量，声源频率在4600Hz以下，计算所得X、Y方向和总声强理论误差均不超过1. 5dB，能够满足工程上的需求；
3、本发明二维矢量声强探头结构简单，使用方便，且实现了测量频带可调的功能，可广泛用于工程领域中平面二维矢量声强测量及噪声源定位。
图1为本发明测量方法的测量原理及传声器位置分布示意图。图2(a)为本发明测量频带可调的测量探头的结构示意图。图2(b)为图2(a)的俯视图。图3(a)至图3(d)为利用本发明方法和装置，对单极子声场进行的数值仿真结果与理论计算值的比较及各方向误差曲线。其中图3(a)为x方向声强级仿真值和理论值；图3(b)为y方向声强级仿真值和理论值；图3(c)为总声强级仿真值和理论值；图3(d)为各方向声强级误差曲线。图4(a)至图4(f)为利用本发明方法和装置，对单极子声场进行声源定位时各测点的定位误差随频率的变化关系。其中图4(a)点(O，l)处测得的定位误差随频率的变化关系；图4(b)点(±0. l，l)处测得的定位误差随频率的变化关系;图4(c)点(±0. 58， 1)处测得的定位误差随频率的变化关系；图4(d)点(±0.6,1)处测得的定位误差随频率的变化关系；图4(e)点(士l，l)处测得的定位误差随频率的变化关系；图4(f)点(±2，1)处测得的定位误差随频率的变化关系'
具体实施例方式
具体实施方式
一 下面结合图1具体说明本实施方式。平面二维矢量声强的测量方法包括下述步骤一、构造用于平面矢量声强测量的正三角形(ABC)，以其中心点为测量点；所述正三角形的中心点(0)为原点确立测量的直角坐标系XOY，X轴方向为过三角形中心且与底边BC平行的方向，Y轴方向连接中心与顶点A的方向；二、测量位于平面正三角形三个顶点位置处的声压，计算正三角形中心点处的声压P。及连接各顶点和中心的朝着中心方向的声质点速度"(1 = 1，2，3);三、建立测量点处平面二维方向上的声质点速度U"Uy与正三角各顶点处声质点速度Ui(i = 1，2，3)之间数学模型为1 "x = : ("2 - "3); uy = -u丄 四、根据互谱声强法原理I :
矢量声强
1 1
Re(P* U)，计算得出平面二维方向上的声强及二维 A =
3 ，d
Im(2G23+G13
Im(G21 +G31)
"v^2+《。
本实施方式中二维声强矢量的推导过程如下正三角形中心点处的声压为三个顶点处声压的平均值，即
S +尸2 +尸3
(1)
式中，Pi(i = 1，2，3)为第i个顶点处的声压。连接各顶点和中心朝着中心方向的声质点速度
各顶点声压Pi的线性近似表示为
f 一A
(/=1， 2， 3)
1，2，3)，由平均声压P。和
(2)
j，a
式中，j为虚数单位，"为圆频率，P为声介质密度，a为中心与顶点之间的距离'由正三角形几何关系，可以得到Ui与U"Uy之间的关系如下
i
K =，R +、
22 2少
(3)
t/，=.
2 2，
式中，Ux、Uy分别为中心点处的速度在x， y方向上分j
对以上各式联立求解，可得U,、Uy分别为
(4)
u。+u,
(5)
5
根据互谱声强法原理，中心点处的声强在X方向分量的表达式为
<formula>formula see original document page 6</formula> 式中，d为正三角形的边长，为第i个顶点与第j个顶点处声压的互谱，互谱由声压与声质点速度之间的互相关函数得到，它表示平均声强的频率分布。Im表示取虚部。
同理，可得中心点处声强在y方向的分量为 L=7J^Im(G21+G31) (8) 由此可得中心点处的二维矢量声强幅值为 /二^7J77J (9) 其声强测量的误差函数可定义声强测量值I与其理论值I。的比 E = 101og(I/I0) (10) 对本实施方式的分析和检验如下 参见图3(a)至图3(d)和图4(a)至图4(f)，采用单极子声源验证模型的正确性。
由单极子声源发出的波为球面声波，球面声场中瞬时声压的表达式为
P = A/re""*—kr) (12) 式中，A/r为声压幅值，r为测量点与单极子声源之间的距离。
假设声源在平面直角坐标系的原点处，在(l，l)点测量所得平面二维声场中x，y方向上的声强级和总声强级的计算结果与理论值的比较及误差分布分别如图3(a)至图3 (d)所示。结果表明，在自由声场条件下，测量所得的平面二维声强的计算值与理论值是比较接近的。x方向声强分量在频率为4800Hz以下时，其声强级误差在1.5dB之内；y方向声强分量在频率为4600Hz以下时，其声强级误差在1. 5dB之内；总声强矢量在频率为4700Hz以下时，其声强级误差在1. 5dB之内。可见，此二维声强探头能够有效地测量出声场的二维矢量声强，低频情况下误差非常�。孀牌德实脑龃笪蟛钪鸾ピ黾�。频率在4600Hz以下，计算所得X、 Y方向和总声强理论误差均不超过1. 5dB，能够满足工程上的需求。
将声源放在平面直角坐标的原点(0，0)处，为了显示各个位置的定位误差，在距离x轴1.0(m)的直线上划分lx21个网格点阵，从点阵的各个点分别测量定位误差。在点(0，1)、点(士0.1，1)、点(士0.58，1)、点(士0.6，1)、点(士1，1)、点(±2，1)处测得的定位误差随频率的变化关系，如图4(a)至图4(f)所示。结果表明，测量点到y轴的距离小于0. 58m时，测量误差随着频率的增加逐渐增大；当测量点与y轴的距离大于0. 6m时，测量误差先随频率的增加而减�。谀骋桓銎德氏麓锏阶钚。�(±0.6,1)点处频率在200Hz左右时，定位误差最�。笏孀牌德实脑黾硬饬课蟛钪鸾ピ龃�。不同的测量点处定位误差达到最小值时所对应的频率是不同的。频率在1600Hz以下时，各点测得的定位误差均小于0. Olm，能够满足定位精度要求。
具体实施方式
二 下面结合图2(a)和图2(b)具体说明本实施方式。它包括三个传声器11，它还包括中心杆3、中心滑套4、三个撑杆5、三个前置放大器6、三个夹紧套7、三
6个锁紧螺母9、六个支杆8和锁固螺母2，每一个锁紧螺母9旋合在一个夹紧套7的端部上并把前置放大器6夹紧，传声器11装设在前置放大器6的上端且位于锁紧螺母9夕卜，前置放大器6的信号输入端连接传声器11的信号输出端，每个支杆8的一端铰接在一个夹紧套7的外圆表面上，每个支杆8的另一端铰接在中心杆3的外圆表面上，每两个支杆8分别与中心杆3和一个夹紧套7构成一个平行四连杆结构，三组平行四连杆结构沿中心杆3的圆周方向均匀分布且三个传声器11所处的平面垂直于中心杆3，每个撑杆5设置在一组平行四连杆结构的下方，每个撑杆5的一端铰接在中心滑套4上，每个撑杆5的另一端铰接在一个支杆8的杆身上，中心滑套4套在中心杆3上，锁固螺母2旋合在中心杆3外圆表面上所开的外螺纹上并且位于中心滑套4的下端处。 本实施方式的三个传声器分别放置在平面正三角形的三个顶点处，各传声器轴线相互平行。探头结构中利用了曲柄机构和平行四边形的位置保持原理，可以方便地调节传声器间距，以适应不同的测量频率。运动过程中的微小误差，可以通过锁紧螺母9和夹紧套7来调节。为了方便测量和计算，在保证一定测量精度的前提下，可以确定几个基本间距以及各自适用的频率范围，并在中心杆上刻上刻度以对应。
具体实施方式
三下面结合图2(a)和图2(b)具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是它还包括中心架IO，所述中心架10为套体，中心架固定在中心杆3上且六个支杆8的另一端铰接在中心架10的外圆表面上。如此设置，取消了六个支杆8与中心杆3的铰接关系，加工过程更方便。
权利要求
平面二维矢量声强的测量方法，其特征在于包括下述步骤一、构造用于平面矢量声强测量的正三角形(ABC)，以其中心点为测量点；所述正三角形的中心点(O)为原点确立测量的直角坐标系XOY，X轴方向为过三角形中心且与底边BC平行的方向，Y轴方向连接中心与顶点A的方向；二、测量位于平面正三角形三个顶点位置处的声压，计算正三角形中心点处的声压P0及连接各顶点和中心的朝着中心方向的声质点速度Ui(i＝1，2，3)；三、建立测量点处平面二维方向上的声质点速度Ux、Uy与正三角各顶点处声质点速度Ui(i＝1，2，3)之间数学模型为 <mrow><msub> <mi>U</mi> <mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msqrt><mn>3</mn> </msqrt></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>U</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>U</mi><mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>Uy＝-U1＝U2+U3四、根据互谱声强法原理I＝Re(P*·U)，计算得出平面二维方向上的声强及二维矢量声强 <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>3</mn></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mi>ωρd</mi></mfrac><mi>Im</mi><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub><mi>G</mi><mn>23</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>G</mi><mn>13</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>G</mi><mn>12</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>I</mi> <mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msqrt><mn>3</mn> </msqrt></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mi>ωρd</mi></mfrac><mi>Im</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>G</mi><mn>21</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>G</mi><mn>31</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><msqrt> <msubsup><mi>I</mi><mi>x</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup><mi>I</mi><mi>y</mi><mn>2</mn> </msubsup></msqrt><mo>.</mo> </mrow>
2. 测量频带可调的测量探头，它包括三个传声器(ll)，其特征在于它还包括中心杆 (3)、中心滑套(4)、三个撑杆(5)、三个前置放大器(6)、三个夹紧套(7)、三个锁紧螺母(9)、 六个支杆(8)和锁固螺母(2)，每一个锁紧螺母(9)旋合在一个夹紧套(7)的端部上并把 前置放大器(6)夹紧，传声器(11)装设在前置放大器(6)的上端且位于锁紧螺母(9)夕卜， 前置放大器(6)的信号输入端连接传声器(11)的信号输出端，每个支杆(8)的一端铰接在 一个夹紧套(7)的外圆表面上，每个支杆(8)的另一端铰接在中心杆(3)的外圆表面上，每 两个支杆(8)分别与中心杆(3)和一个夹紧套(7)构成一个平行四连杆结构，三组平行四 连杆结构沿中心杆(3)的圆周方向均匀分布且三个传声器(11)所处的平面垂直于中心杆 (3)，每个撑杆(5)设置在一组平行四连杆结构的下方，每个撑杆(5)的一端铰接在中心滑 套(4)上，每个撑杆(5)的另一端铰接在一个支杆(8)的杆身上，中心滑套(4)套在中心杆 (3)上，锁固螺母(2)旋合在中心杆(3)外圆表面上所开的外螺纹上并且位于中心滑套(4) 的下端处。
3. 根据权利要求2所述的测量频带可调的测量探头，其特征在于它还包括中心架 (IO)，所述中心架(10)为套体，中心架固定在中心杆(3)上且六个支杆(8)的另一端铰接 在中心架(10)的外圆表面上。
全文摘要
平面二维矢量声强的测量方法及测量频带可调的测量探头，本发明涉及声音强度的测量方法及测量探头。它克服了现有技术需要分多次完成采样，测量过程耗时长，不易保证空间定位精度，只适用于稳态声场的缺陷。方法为构造用于平面矢量声强测量的正三角形，以其中心点为测量点；测量位于平面正三角形三个顶点位置处的声压，建立测量点处平面二维方向上的声质点速度与正三角各顶点处声质点速度之间数学模型，根据互谱声强法计算得出平面二维矢量声强。测量探头由位于平面正三角形的三个顶点处的三个传声器构成，各传声器轴线相互平行。探头结构中利用平行四连杆调节传声器间距，以适应不同的测量频率。用于工程领域中对平面噪声源的识别和声源定位。
文档编号G01H5/00GK101782644SQ20101010945
公开日2010年7月21日 申请日期2010年2月12日 优先权日2010年2月12日
发明者周广林, 郭秀艳 申请人:黑龙江科技学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
