现场修正声强测量系统相位失配误差方法研究

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    相位失配误差一直是声强测量最主要的误差源,这种现象在相当一段时间内仍然不能从根本上得到改观。对使用双传声器声强探头的测量系统来说,只有当系统的相位失配误差5e远远小于两声压信号的相位差$U时,测量结果才有足够的可信度。根据IEC(draft)标准的要求[2],以一级精度为例,要求系统的(包括探头及处理器)相位失配误差5e在315Hz以下<0.09°,5kHz<1.4°。这一苛刻的条件严重限制了声强测量技术的适应范围,也使得声强测量仪器价格居高不下,如B&K公司3583声强探头(1级精度)1996年报价为12 000多美元。即使是达到一级精度的测量系统,在恶劣的现场环境下仍然会造成较大的误差,对于$r=12mm的探头,在自由场条件下(声场抗性指数Dpi= 0 ),800Hz两声压信号的相位差$U=10°,但当Dpi=10dB和20dB时,800Hz信号的相位差$U分别为1°和0.1°,而测量系统的相位差5e是一定的,从而限制了测量系统的适应范围,有时不得不以降低精度等级为代价。显然,仅靠提高测量系统的精度是不够的。采取适当的措施修正相位失配误差仍然是一种切实可行的方法[4]。尤其在我国,由于传声器生产工艺的限制,少数高校及科研单位研制的声强探头很难达到1级精度。80年代以来,各国科学工作者提出了不少校正相位失配误差的方法,遗憾的是每种方法都有一些局限性。这可能也是为什么IEC(draft)提议采取适当的措施校正相位失配误差,却没有指出采用何种方法的原因。

    在众多的校正相位失配误差的方法中,较有代表性的有4种。

    (1)交换传声器法[1]

    由美国学者J.Y.Chung首先提出,它采取每次测量两次互谱,其中第二次将探头反转180°。理论上这种方法可以完全消除相位失配误差,但由于交换后探头位置精度难以保证,计算量也增加一倍多,实际中很少采用。

    (2)传递函数法[5]

    由加拿大学者G.Krishnappa提出。利用一根直径为551mm的长管来获取同一声场条件,测量两通道间的传递函数,进而消除相位失配误差,这种方法只需计算一次传递函数,快速准确。但由于管长和管径的限制,修正后的声强谱在低频处误差仍然较大。尤其在低于200Hz频率范围内误差更大,而相位失配误差恰恰在低频处对声强测量的精度影响较大[5]。

    (3)残余声强法

    残余声强的概念是由ISO9614-1中定义用来表征声强测量仪器动态性能的一个物理量,丹麦的F.Jacobsen首先引入进行声强误差修正,其基本原理是当探头两传声器处于同一声场条件下,测量系统所显示的声强应为零,如不为零,则称之为残余声强。表示测量系统存在相位失配误差。这种方法虽然简便,但它修正存在一定的误差,特别是对于相位失配误差较大测量系统的修正效果较差。修正后的声强谱在有些频段出现严重的欠估计,表现为较大的负向声强。