基于指向性声源的声屏障过渡区域绕射衰减室外测量方法

摘要

本发明提出一种基于指向性声源的声屏障过渡区域绕射衰减室外测量方法，该测量方法适用于在室外场景测量且简便而精确；采用指向性声源作为测试声源，从根本上去除地面反射、声屏障两端绕射的影响；合理的选取测试音频信号以及对传声器接受信号进行FIR滤波以最大限度降低背景噪声的影响；进行了大气衰减修正，能有效地排除气象条件变化的影响；采用普通海绵作为声滤波器，可最大幅度的衰减超声信号，同时保留音频信号；并且测量能够集中在较小区域内进行，测量器材尺寸小，对软硬件条件要求不高，操作简易。

说明书

技术领域

本发明涉及环境保护领域中的噪声测量方法类，更具体地，涉及一种基于 指向性声源的声屏障过渡区域绕射衰减室外测量方法。

背景技术

简易准确地测量声屏障声亮区与声影区过渡区域绕射衰减值，对研究不同 顶端样式声屏障的绕射声场和计算声屏障插入损失有重要的理论意义，同时也 为声屏障建设项目验收提供重要依据。绕射衰减量为0到菲涅尔系数为0的之 间所包含区域为声屏障绕射衰减过渡区域，简称过渡区域。从菲涅尔系数为0 到声屏障顶端水平面之间的区域称为上过渡区域，从声屏障顶端水平面到绕射 衰减量为0之间的区域称为下过渡区域，如图1所示。声屏障过渡区域绕射衰 减试验要求苛刻，测量困难，现有的研究中，有室内和室外测量两种：室内测 量一般在全消声室进行，以排除地面反射和背景噪声的影响，但全消声室修建 投入较大，测量繁琐，在工程实际中并不适用；室外测量根据规范（GB/T 19884-2005声学各种户外声屏障插入损失的现场测定[S]）进行测量，但受背景 噪声和气象条件的影响比较大，测量精度难以保证。欧洲提出一种能有效地测 量反射系数、隔声量的最大长度序列(MLS)测量方法，但由于过渡区域随着测 试声源频率的增大而缩小，此方法测量布点不便且需专业的软硬件设备，测量 过程复杂。罗威力、蔡铭等提出一种声屏障过渡区域的绕射衰减室外测量方法， 该方法采用5ms的正弦波作为测试信号，利用声波到达的时间差，有效地排除 有限长声屏障两侧绕射和地面反射的影响。然而5ms的声波信号中约含2.5个 正弦波，容易受到外界其他条件的干扰，该方法测量结果的稳定性较难保证。 并且该方法只能测量上过渡区域的绕射衰减噪声，没有对下过渡区域的绕射衰 减噪声进行讨论。

近几年来，指向性声源的使用可以使过渡区域绕射衰减更加简便。指向性 声源的工作原理是将试验用的音频信号调制在超声载波信号上，再利用超声换 能器将带有音频信号的超声载波信号发射出去。由于空气具有非线性声学效应 的特点，超声载波信号和音频信号在传播过程中，调制在超声载波信号中的音 频信号会自解调出来，还原出独立的音频信号。并且超声波定向发射可以确保 测试音频信号的高指向性，因此测量能够集中在某个区域，实现小尺寸实验材 料的便携测量。另一方面，解调得到的测试音频信号在一定距离内近似看作是 平面波传播，可以简化计算。如图2所示为指向性声源定向发射的声线束。基 于以上两个特点，指向性声源用于声屏障声影区与声亮区的过渡区域绕射衰减 的室外精确测量将会有较大的研究意义和应用前景。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于指向性声源的声屏障过渡 区域绕射衰减室外测量方法，该方法在测量室外声屏障过渡区域绕射衰减噪声 时，能获得较高的测量精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于指向性声源的声屏障过渡区域绕射衰减室外测量方法，包括以下 步骤：

S1.在室外背景噪声中选取较弱噪声的频率作为测试音频信号的频率，以最 大限度与背景声区分开；

S2.采用指向性声源作为测试声源，定向发射测试信号；所述指向性声源发 出的测试信号包括测试音频信号和超声载波信号，将测试音频信号调制在超声 载波信号中；

S3.采用声滤波器对测试信号进行声滤波，滤除超声载波信号，保留测试音 频信号；

S4.在过渡区域对测试音频信号进行噪声绕射衰减测试，获取噪声绕射衰减 信号；

S5.对噪声绕射衰减信号进行FIR滤波，滤除背景噪声；

S6.考虑测试音频在室外传播时气象条件变化，进行大气衰减修正；

S7.计算FIR滤波后的绕射衰减信号相对应的等效声级，代入声屏障声衰减 模型，减去大气衰减修正值，得到室外声屏障的绕射衰减值。

为最大限度的减少背景声的影响，需对背景声进行频谱分析，从而选择合 适的测试音频信号的频率，从而保证步骤S1中的测试音频信号的频率与室外背 景噪声中较弱噪声的频率一致，采用该频率的测试音频信号是为了最大限度的 与背景声区分开，合理的选取测试音频信号能最大限度降低背景噪声的影响；

所述步骤S2中的测试声源采用指向性声源，其原理为测试音频信号调制在 超声载波信号中，保证测试音频信号的定向发射。

更进步一地，所述步骤S3中的声滤波器是一个声低通滤波器，载有音频信 号的超声载波信号经过声滤波器后，可近似的认为只留下有指向性的音频信号。 在本发明中采用普通海绵作为声滤波器，可最大幅度的衰减超声信号，同时保 留音频测试信号。

更进步一地，所述步骤S4中在过渡区域对测试音频信号进行噪声绕射衰减 测试包括上过渡区域的绕射衰减测试和下过渡区域的绕射衰减测试；

所述上过渡区域的绕射衰减测试的实现方式为：

有声屏障测试时，传声器接收的信号w1包括音频信号的直射声和经过声 屏障顶端的绕射声；

无声屏障测试时，传声器接收的信号y1只含音频信号的直射声；

根据传声器接收的信号w1和y1得上过渡区域的绕射衰减值；

所述下过渡区域的绕射衰减测试的实现方式为：

放置一普通声屏障时，传声器接收的信号w2包括音频信号的透射声和经 过声屏障顶端的绕射声；

加高声屏障时，传声器接收的信号y2只含有音频信号的透射声；

根据下过渡区域信号w2和y2得下过渡区域的绕射衰减值。

更进步一地，所述步骤S5中所述FIR滤波，是以严格的线性相位特性对接 受信号进行实时处理，用于去除其他频率背景噪声的影响。

更进步一地，所述步骤S6进行大气衰减修正包括上过渡区域大气衰减修正 和下过渡区域大气衰减修正；其中

上过渡区域大气衰减修正按下式（1），

ΔL_a1=l_diffm_w1(f,T_w1,RH_w1)-l_dm_y1(f,T_y1,RH_y1)        （1）

下过渡区域大气衰减修正按下式（2），

ΔL_a2=l_diffm_m2(f,T_m2,RH_m2)-l_tm_y2(f,T_y2,RH_y2)        （2）

式中：l_diff为绕射声顶端绕射路径长度(m)；l_d为直射声传播路径长度(m)； l_t为透射声传播路径长度(m)；f为信号频率(Hz)；m_w1和m_y1分别为传声器在上过 渡区域时前后两次对比测试的大气衰减系数(dB/m)，m_m2和m_y2分别为传声器在 下过渡区域时前后两次对比测试的大气衰减系数(dB/m)，T为温度(℃)，RH为 度(%)。ΔL_a1为上过渡区域测试时大气衰减修正值(dB)，ΔL_a2为下过渡区域测试 时大气衰减修正值(dB)。

更进步一地，所述步骤S7声屏障声衰减模型定义公式为计算上过渡区域的声衰减公式为计算下过渡区域的声衰减 公式为其中分别为上过渡区域测试时有声屏障、无 声屏障传声器接受信号的等效声级，分别为下过渡区域测试时普通声 屏障、加高声屏障传声器接受信号的等效声级。

更进步一地，在上过渡区域的绕射衰减测试时，传声器安放在声屏障后方， 且位于声屏障顶端水平线的上方；

在下过渡区域的绕射衰减测试时，传声器安放在声屏障后方，且位于声屏 障顶端水平线的下方。

更进步一地，所述指向性生源包括声源供电系统、信号发生器、功率放大 器、超声换能器和扬声器，所述声源供电系统分别向信号发生器、功率放大器 和超声换能器供电，所述信号发生器、功率放大器、超声换能器和扬声器顺次 连接。

更进步一地，所述传声器接收的过渡区域信号通过麦克风前置放大器传输 至录音设备；其中麦克风前置放大器和录音设备由传声器供电系统供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本测量方法用于在室外场景测量且简便而精确，采用指向性声源作为测试 声源，从根本上去除地面反射、声屏障两端绕射的影响；进行了大气衰减修正， 能有效地排除气象条件变化的影响；采用声滤波器做声滤波，可最大幅度的衰 减超声信号，同时保留测试音频信号，经过声滤波器后，可以近似的认为只留 下了有指向性的测试音频声；并且测量能够集中在某个区域，测量器材尺寸小， 对软硬件条件要求不高，操作简易。

附图说明

图1为声屏障绕射衰减示意图。

图2为指向性声源定向发射的声线束示意图。

图3为本发明的实现流程图。

图4、5为上过渡区域绕射衰减测量实验示意图。

图6、7为下过渡区域绕射衰减测量实验示意图。

图8为实现本发明测量方法的测量系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

1、测量总体方案

本发明的实现流程图如图3所示，一种基于指向性声源的声屏障过渡区域 绕射衰减室外测量方法，包括以下步骤：

S1.在室外背景噪声中选取较弱噪声的频率作为测试音频信号的频率，以最 大限度与背景声区分开；

S2.采用指向性声源作为测试声源，定向发射测试信号；所述指向性声源发 出的测试信号包括测试音频信号和超声载波信号，将测试音频信号调制在超声 载波信号中；

S3.采用声滤波器对测试信号进行声滤波，滤除超声载波信号，保留测试音 频信号；

S4.在过渡区域对测试音频信号进行噪声绕射衰减测试，获取噪声绕射衰减 信号；

S5.对噪声绕射衰减信号进行FIR滤波，滤除背景噪声；

S6.考虑测试音频在室外传播时气象条件变化，进行大气衰减修正；

S7.计算FIR滤波后的绕射衰减信号相对应的等效声级，代入声屏障声衰减 模型，减去大气衰减修正值，得到室外声屏障的绕射衰减值。

为最大限度的减少背景声的影响，需对背景声进行频谱分析，以选择合适 测试音频频率。将选取的测试音频调制在超声载波信号中，定向发射测试音频 信号。采用声滤波器对测试信号进行声滤波，滤除超声载波信号，保留测试音 频信号。分别对上、下过渡区域的进行绕射衰减测试，对传声器接受信号进行 FIR滤波以去除其他频率背景噪声影响。计算FIR滤波后的绕射信号相对应的 等效声级，代入声屏障声衰减模型，并对气象条件差异(温度、湿度、大气衰减) 进行修正，便得声屏障过渡区域的绕射衰减。

图4、5为上过渡区域的测量实验示意图。其中图4为有声屏障时测量示意 图，指向性声源发出的声波信号经声滤波器后，去除了超声载波信号，只留下 音频信号。传声器接受到的信号包括直接到达的直射声，经过声屏障顶端的绕 射声。由于声源的指向性，不存在地面反射的反射声和有限长声屏障的两端绕 射声等，保证实验干扰最小。对于上过渡区域绕射衰减的测量，只需要去除传 声器接受信号中直射声的影响。图5为无声屏障时测量示意图，传声器接受的 声音信号仅有直射声，故只需要排除此部分直射声的影响，就可以得到上过渡 区域的绕射声。

由于上、下过渡区域声音绕射衰减的传播情况不一样，因此需要区别测量， 进行两次实验。图6、7是下过渡区域的测量实验示意图。

在进行下过渡区域的绕射衰减时，仪器布置如图6、7所示，其扬声器、传 声器、声滤波器、声屏障位置均与图4相同。图6中传声器可接受透射声和绕 射声。为了测得传声器中的透射声，仅需加高声屏障，使得指向性声源无法产 生绕射声场，传声器只接受透射声，如图7所示。故只需排除此部分透射声的 影响，就可以得到声屏障下过渡区域的绕射声。

2、实验条件

（1）测量时传声器高度上的风级不变而且从声源到接收点平均风速的分矢 量变化不超过2m/s，必须注意测量不受阵风影响。确保声屏障安装前后声学测 量的风向条件是一致的；

（2）声屏障安装前后测量的平均温度相差不超过10℃，每次测试对温度 做好记录；

（3）测量应避开雨、雪的气象条件，同时也应避免在道路表面潮湿时进行 测量。湿度主要影响高频声源(噪声的主要成分在3000Hz以上)，因此，整个测 量实验应限于相似的相对湿度条件；

（4）以测量场地中心为基点、半径为50m的范围内没有大的声反射物， 如围栏、岩石、桥梁或建筑物等，且实验地面表面没有高草、松土或炉渣之类 的吸声材料；

（5）声级计附近没有任何影响声场的障碍物，并且声源与声级计之间没有 任何人站留。进行测量的实验人员也应站在不影响仪器测量值的位置；

（6）尽量选在背景噪声变化不明显的时段开展试验，且背景噪声（A计权 声级）至少应比测试声源的瞬时声压低15dBA。

3、测量仪器及布置

（1）声屏障

为增大声屏障顶端的绕射效应，试验采用无顶端屏障。同时声屏障应满足 试验隔声要求，通常在声屏障朝声源一面铺吸声系数为0.7的强吸声材料。同 时，为防止产生有限长的声屏障两端绕射的影响，声屏障的宽度应大于指向性 声源的声场范围。

（2）指向性声源

指向性生源包括声源供电系统、信号发生器、功率放大器、超声换能器和 扬声器，所述声源供电系统分别向信号发生器、功率放大器和超声换能器供电， 信号发生器、功率放大器、超声换能器和扬声器顺次连接。声源信号由信号发 生器产生，经功率放大器扩音，将其调制在高频(超声频率)载波信号中，所用 的超声载波是40kHz。测试声源的瞬时声压应高于背景噪声15dBA以上。

（3）声滤波器

声滤波器是一种声低通滤波器，由面积为1.2×1.2m²普通海绵制成。其的功 能是为了尽可能的衰减超声载波信号，保留测试音频信号。如果测量时不加声 滤波器，空气的非线性作用会使得音频信号会继续自解调，保持非线性累积效 应，同时强超声载波信号会使传声器在测量时产生非线性干扰，这势必会造成 测量结果不准确。载有音频信号的超声载波信号经过声滤波器后，可近似的认 为只留下有指向性的音频信号。

（4）接受部分

接受部分包括传声器、麦克风前置放大器、录音设备和传声器供电系统供 电。录音设备的参数为单通道，信号产生和录制建议采样频率高于48kHz，比 特率为16bits。室外测量系统连接如示意图8所示。

（5）气象仪器

气象仪器包括风速计、温度计、湿度计等。用于测量风速和风向的风速计 的不确定度不应超过±10%。在噪声采样期间，对风的采样率要足以代表风的 状况。用于测量环境温度的温度计的不确定度不应超过±1℃。用于测量相对湿 度的湿度计的不确定度不应超过±2%。在测量过程中应尽量满足气象条件的等 效性。风对测量精度的影响最大，大于5m/s的风速会传声器会产生较大的风噪 声，导致麦克风接受的信号失真错乱，建议风速小于3m/s，且两次测量风速矢 量变化小于1m/s，记录每次测量前温度仪和湿度仪的读数。

（6）仪器布置

为排除地面反射的影响，须满足指向性声源的布置高度达到一定要求，要 求扬声器与传声器尽量靠近且离地面较高。

在进行上过渡区域的绕射衰减时，仪器布置如图4、5所示。图4为有声屏 障测量示意图，为排除有限长的声屏障两端绕射的影响，扬声器应放置于声屏 障前方的中心线上，且与声屏障顶端处在同一水平线上，传声器放置于声屏障 后方，且在声屏障顶端水平线的上方。声滤波器位于指向性声源与声屏障之间， 且靠近声屏障。无声屏障测量示意图如图5所示，其扬声器、传声器、声滤波 器位置均与有声屏障测量时相同。

在进行下过渡区域的绕射衰减时，仪器布置如图6、7所示，其扬声器、传 声器、声滤波器、声屏障位置均与图4相同。图6中传声器可接受透射声和绕 射声。图7中加高了声屏障，保证加高后的声屏障高于指向性声源的声场范围， 以排除声屏障顶端的绕射声场。

4、测量步骤

（1）分析背景声频谱，选取测试音频频率

分析背景噪声倍频图，选取背景声中较弱噪声的频率作为声源频率，同时 应考虑测试音频频率与声源指向性程度的关系，进而选取出合适频率的正弦波 作为测试声源，并确定信号产生和录制的比特率和采样精度。

（2）将测试音频调制于超声载波信号，并定向发射

采用指向性声源作为测试声源，将选取的测试音频调制在超声载波信号中， 利用超声传播的高指向性，实现定向发射测试音频信号；所述指向性声源发出 的信号包括测试音频信号和超声载波信号；

（3）滤除超声载波信号

采用声滤波器对测试信号进行声滤波，声滤波器是一个声低通滤波器，载 有音频信号的超声载波信号经过声滤波器后，可滤除超声载波信号，保留测试 音频信号。

（4）绕射衰减噪声测试

按照图4、5放置仪器，开始测量上过渡区域的绕射衰减噪声，传声器记录 下接收的噪声。

按照图6、7放置仪器，开始测量下过渡区域的绕射衰减噪声，传声器记录 下接收的噪声。

所述上过渡区域的绕射衰减测试的实现方式为：

有声屏障测试时，传声器接收的信号w1包括音频信号的直射声和经过声 屏障顶端的绕射声；

无声屏障测试时，传声器接收的信号y1只含音频信号的直射声；

根据传声器接收的信号w1和y1得上过渡区域的绕射衰减值；

所述下过渡区域的绕射衰减测试的实现方式为：

放置一普通声屏障时，传声器接收的信号w2包括音频信号的透射声和经 过声屏障顶端的绕射声；

加高声屏障时，传声器接收的信号y2只含有音频信号的透射声；

根据下过渡区域信号w2和y2得下过渡区域的绕射衰减值。

（5）FIR滤波

对传声器采集的信号(w1、y1、w2、y2)进行FIR滤波，即以严格的线性相 位特性对接受信号进行实时处理，目的是去除其他频率背景噪声的影响。

（6）大气衰减修正

大气对高频声波影响衰减较大，传声器在上过渡区域时，修正公式如（3） 所示，传声器在下过渡区域时，修正公式如（4）所示，取决于信号频率、气温 和空气湿度等。由于一般的声屏障高度较低，测量的空间也较小，温度变化并 不明显，可忽略不记：

ΔL_a1=l_diffm_w1(f,T_w1,RH_w1)-l_dm_y1(f,T_y1,RH_y1)        （3）

ΔL_a2=l_diffm_m2(f,T_m2,RH_m2)-l_tm_y2(f,T_y2,RH_y2)        （4）

式中：l_diff为绕射声顶端绕射路径长度(m)；l_d为直射声传播路径长度(m)； l_t为透射声传播路径长度(m)；f为信号频率(Hz)；m_w1和m_y1分别为传声器在上过 渡区域时前后两次对比测试的大气衰减系数(dB/m)，m_m2和m_y2分别为传声器在 下过渡区域时前后两次对比测试的大气衰减系数(dB/m)，T为温度(℃)，RH为 湿度(%)。ΔL_a1为上过渡区域测试时大气衰减修正值(dB)，ΔL_a2为下过渡区域测 试时大气衰减修正值(dB)。

（7）计算声屏障绕射衰减

分别计算FIR滤波后的绕射信号相对应的等效声级，代入声屏障声衰减模 型，减去大气衰减修正值，便得声屏障的绕射衰减ΔL_di。如公式所示（4）。

$\Delta L_{\mathrm{di}}=101g\left(\overline{P_{\mathrm{wi}}^2}/\overline{P_{\mathrm{yi}}^2}\right)-\Delta L_{\mathrm{ai}}---\left(4\right)$

其中i=1、2，分别为上过渡区域测试时有声屏障、无声屏障传声器接 受信号的等效声级，分别为下过渡区域测试时普通声屏障、加高声屏 障时传声器接受信号的等效声级；ΔL_a1为上过渡区域测试时大气衰减修正值 (dB)，ΔL_a2为下过渡区域测试时大气衰减修正值(dB)。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何 在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发 明的权利要求保护范围之内。