杭州剧院的声学模型试验

杭州剧院是一座多功能厅堂,观众厅的体积约10000m~3,能容纳2000观众席,已于1978年9月竣工使用,观众反映音质效果比较好。在我们进行音质设计过程中,为了及早对设计方案作出评价,作了1:10的声学模型试验。本文概括给出某些试验的结果,并与剧院建成后实测进行比较。模型试验包括(1)木条子墙和“船形”扩散体天花的声学特性,(2)吸声材料的模拟,(3)混响时间,(4)反射声,(5)声场分布,(6)观众对前次反射声的影响,(7)方向性扩散,(8)清晰度,(9)主观评价。模型和实物的对比结果:满场的混响时间除250Hz的差别较大外(约20％),其余频率比较接近(差别少于10％);反射声图形是相似的;声场分布的差别少于2dB;观众对从台口侧墙来的前次反射声有影响,衰减约6dB;方向性扩散低于实测值,这是由于制造模型时省略一些细部所引起;清晰度和主观评价与观众的实际感受大致相符。     

嵌入随机多项式的抛物方程不确定声场快速算法

为了得到准确且高效计算起伏海洋介质中随机声场的算法,本文将随机多项式展开嵌入到宽角抛物方程声场计算模型(简称RAM模型)中,发展了一种不确定声场的快速算法.其计算结果比使用嵌入随机多项式的窄角抛物方程准确,计算时间小于作为参考的蒙特卡洛方法.在仿真算例中,随机多项式展开法对声强均值、方差、概率密度的计算准确;在一定的随...     

南海夏季沿岸内波与定点声起伏特征分析

利用2020年6月海南岛沿岸试验数据,分析内波及声能量起伏特征。试验海域以全日潮内波为主,并伴随有高频内波活动。内波活动引起360 Hz单频信号20 km定点声起伏峰峰值超过30 dB, 320～400 Hz线性调频信号起伏峰峰值超过15 dB。利用测量数据结合数值仿真,讨论了内波引起单频信号和线性调频信号呈现不同起伏特征的原因。结果表明:试验海域内波活动导致单频声场模态间干涉条纹出现移动,进而导致接收位置处特定频率的声能量出现大幅度的快速起伏;由于带宽内的平均作用,宽带信号的能量起伏远小于单频信号的能量起伏。当内波传播速度变化时,各内波成分在声传播路径上出现的时间和位置发生了变化,使得声场出现剧烈起伏的时间也随之变化。     

水平不变浅海环境随机扰动对声传播的影响

本文主要讨论浅海水平不变波导中的低频声传播问题,为环境适配声纳设计奠定基础。通过仿真分析了海水及海底环境参数对传播损失的影响,根据仿真及实验结果,建立了声速剖面随机扰动及海面、海底起伏条件下的声强分布概率模型,并利用模型中的形状参数α和尺度参数β,提出了局部蒙特卡洛模拟加曲线拟合的声场敏感性分析方法。仿真及实验结果表明声场传播损失服从伽马分布,良好水文条件下10 km距离的声场能量起伏也达到10 d B,随着距离增加,声场敏感性增加。本文所提出方法通过对近场声场的测量和统计实现对远场声场敏感性的预报,与全声场蒙特卡洛模拟相比计算量减小一个数量级。     

小尺度封闭空间声场的无网格数值算法

无网格法是一种新兴的数值计算方法,具有不需要网格支持的特点。本文将该方法引入室内声学建模,推导了无网格声场数值计算模型,并将其应用于典型小尺度封闭空间内部声场的数值分析。针对声传递函数,将本方法与理论解和SYSNOISE计算结果进行了比较,并将计算的混响时间与实验测量结果作了对比,表明本方法具有良好的精度。     

1-3型二维柱形凹面线聚焦换能器声场特性

设计并研制了柱面结构的1-3型复合材料凹面线聚焦换能器,在提高换能器带宽的同时,可以实现声场的线聚焦。将换能器内部PZT柱作为独立声源,应用瑞利积分和叠加原理,推导出了柱形凹面换能器总声场的理论表达式。通过仿真计算分析了换能器在聚焦线上的声场特点以及相关参数对聚焦性能的影响。对换能器参数做出合理设计,使换能器在实现线聚焦的同时,声场在聚焦线上的起伏较小,从而设计并制作出聚焦性能良好的线聚焦凹面换能器探头。实验测试结果表明采用本文方法计算得到的换能器声场与实测的声场分布基本符合,柱形凹面换能器在其几何焦点附近范围内均可实现聚焦,并在侧向上形成清晰的聚焦线,其聚焦线长度为换能器的侧向结构长度,在聚焦线上声场分布起伏较小。      

厅堂中混响时间测量的一些实际问题

本文根据多年来在一些大厅中进行混响时间测量(空场和满场)的经验,以及利用不同声源所积累的资料,分析了测量的误差.由于记录读数误差导致的混响时间的变异系数可控制在5％左右,而由于厅内声场不均匀性所引起的变异系数则在10％左右.至于利用不同声源所得结果之间的偏差则往往小于上述的误差范围,因此它们的差异并不显著.比较时所用声源有乐队、白噪声、啭音、发令枪声和气球的爆破声.本文还指出,在某些厅堂中测得的混响时间重复率较低,类似情况或更严重者(相差达50—100％)在文献中亦有报导,值得注意.因此,制订规范化的测量方法也就非常必要.为模拟厅堂满场条件的声学特性,曾利用棉衣代替观众进行了混响时间的比较性测量,结果基本上一致.     

强吸收-强反射型听音室声场的有限元优化

为获得听音室预期的平直混响时间和合适的房间形状,提出了一种结合强吸收-强反射概念和有限元优化技术的设计方法,并进行了实验验证。对按照优化设计结果所搭建的听音室的房间频率响应、混响时间进行了实际测量,实测数据显示了与解析计算、数值模拟结果有着较好的吻合。在整个设计频段内混响时间特性曲线平直,优化后房间低频段两个倍频程内频率响应的标准偏差可降低约6dB。1/3倍频程中心频率上实测混响时间的方均根值和设计值的偏差在63至4 kHz的6个倍频程内仅为0.02 s。      

利用对墙截面形状的优化来改善声学小房间的低频响应

提出了通过优化墙截面形状来改变声学小房间低频响应的优化方法。在矩形有限元模型中将墙面用不同的阶梯形状作为墙截面进行代换,并用于具有不同墙面的房间,进行了声场分析。阶梯形状间的差异仅是阶梯高度的取值不同,分别为相等、随机和优化值。将获得优化值的优化方法用于60Hz到120Hz的频率范围内,对不同阶梯墙面以及平墙面房间的频率响应进行了数值计算和比较。结果显示墙截面采用优化值时得到的房间频响最为均匀;将房间长、宽、高比例改变后重复上述数值分析,仍得到房间频响改善在优化情况下最大的结果。对比例较差的房间改善幅度可达4.5dB。另外还以半圆和三角形作为墙截面形状计算了半圆半径和三角形高度分别为固定值和优化值时房间的频率响应,同样得到优化墙面优于固定值墙面的结果。因此通过运用优化的墙截面来改善房间低频声场特性是有意义的。     

声场的计算机模拟

本文首先评述两种主要的计算机模拟方法:Monte Carlo法和声线法;然后用本文发展的扩散反射声线法研究房间形状、吸声器分布以及吸声系数对混响的影响;最后以一个模拟教室为例,计算其混响时间,前80ms反射声的方向分布等声场参数,说明计算机模拟在房间声学中的应用。     

南海北部浅海声场起伏及统计特性

水下声场的时间积分声强和峰值声强是声呐检测中的重要物理量,而海洋中的内波等动力学过程会造成声场强度的起伏。对南海北部浅海内波环境下定点声起伏实验数据分析,结合数值仿真,总结了试验海域近海底发射和近海底接收条件下内波引起接收信号强度起伏的统计特性.分析结果表明:接收信号的时间积分声强起伏小于峰值声强起伏;时间积分声强与峰值声强起伏的概率分布与对数正态分布较为接近.时间积分声强和峰值声强起伏大小与信号的频率有关,同一收发距离,中心频率650 Hz信号的声强起伏较中心频率310 Hz和375 Hz信号的声强起伏更为剧烈。对于同一频率,当海底较平坦时,声强起伏的闪烁指数随传播距离的增加而增大;当水深随传播距离逐渐变深时,声强起伏规律受内波和水深变化共同影响而更为复杂,闪烁指数先随传播距离增加而增大,之后又随传播距离的增加而逐渐变小.      

混响环境下目标声场稀疏分解多域声场重放方法

对于封闭空间内的声场重放,传统的多点声压匹配方法 (Cov-PM)依据在目标声场测得的声压直接使用最小二乘来计算扬声器权重。然而这种方法要求较多的目标声场采样点以实现足够的精度。对于一类特殊的声场景,也就是目标声场是由少量声源辐射产生时,提出一种对目标声场稀疏分解的方法来进行混响环境下多域声场重放以降低对目标声场采样数量的要求。该文给出基于目标声场等效源稀疏分解多域重放方法(Sparse-ESM)理论推导,通过数值计算以及实验测试两种方式对比所提方法与最小二乘等效源分解方法以及Cov-PM的声场重放性能。数值结果表明,在600 Hz以上的频段,Sparse-ESM方法的重放误差性能提升明显。实验结果也得出了与数值计算相同的结论。同时,还通过数值计算和实验测试两种方法证明了当目标声场声源方向波动时,Sparse-ESM仍然可以保持与其余两类方法相近的声对比度,并且实现较高的亮区重放精度。     

水声材料低频声性能的行波管测量

发展了一种测量水声材料声学性能的行波管测量技术,能够在实验室充水管中模拟海洋水温水压环境,对样品的声学参数实施低频范围的测量。被测样品置于声管中央,声管两端配置一对发射器。应用主动消声技术使样品的透射声波在声管次发射器表面的反射可忽略,在管中建立起行波声场。然后,通过分别计算样品两边声场中每一对水听器的传递函数,得到样品的反射系数和透射系数。测量系统声管的内径为Φ208 mm,工作频率范围为100～4000 Hz,最高静水压为5 MPa。对水层和层状不锈钢样品的反射系数和透射系数进行了实际测量和理论计算,结果表明,测量值和计算值有较好的吻合,测量不确定度不大于1．5 dB。     

利用起伏界面改善非消声水池中的声功率测量

针对非消声水池的声学测量应用,提出了一种在界面起伏的非消声水池中测量水下声源辐射声功率的方法。基于数值方法分析了在非消声水池中利用起伏界面改善低频声源辐射声功率测量的可行性,进一步在一个尺寸为1.2 m×1.0 m×0.8 m的非消声水池中开展实验研究,测量了水声换能器的辐射声功率。实验表明,相对于界面静止的水池,利用造波装置生成随机起伏界面后,声场扩散性明显改善:(1)水池的Schroeder频率从10015 Hz降低到8370 Hz,辐射声功率的测量范围向低频扩展;(2)结合空间平均技术测得的频响曲线起伏程度减小,与自由场值更接近,辐射声功率的测量结果更为准确。所提方法有助于提高非消声水池中水下目标声学特性的测量能力。     

在波导中换能器随机搖摆对声场起伏的影响

当换能器在不均匀分布的声场中摇摆时,接收到的信号随时间发生起伏.本文得到了在波导传播中的无方向性点源的平均声压、平均强度和声信号振幅的起伏率.并对表面声道中起伏率随距离的变化作了数值计算.     

矩形腔体流场模拟及噪声研究

用大涡模拟方法对低速湍流引起的矩形腔体内流动进行了模拟,并应用FW-H声学类比方程分析了由流动诱发的气动噪声.数值模拟观察到了涡结构的脱体及腔体内部的自激振荡过程,通过分析得出了由流动诱发噪声的声压-频率曲线.研究发现在流速30 m/s时,流动噪声声压级在60 dB以下,348.48 Hz及其高次谐波是噪声的主要来源,流场与声场表现出耦合关系,辐射声场具有明显的方向性.腔体噪声的风洞实验研究得到了与数值模拟吻合的结果.     

次声频段的听力零级

本文对低频段的听力零级进行了测量,得到了两个不同测试组在2Hz—100Hz频率段的阈值曲线。实验结果表明两条零级曲线在低于20Hz-25Hz的频率段突然平缓下来,趋近一条平直线。与过去一些作者报道的最小可听声场或最小可听声压的性质不同,文中对这现象给了可能的解释。     

三维串列双圆柱绕流气动流场及声场模拟

数值模拟三维串列双圆柱在不同间距比下湍流流态及其辐射声场.采用大涡模拟(LES)求解非定常不可压缩Navier-Stokes方程得到瞬时流场数据,从而得到声源相关数据,求解基于FW-H积分方程的Farassat-1A方程计算载荷噪声得到相应声场分布.通过对不同间距比下相应的声场及观测点的声压频谱图进行比较可以发现:随着间距的变化,流场呈现出3种不同的流态,其声场也呈现不同的特点,在临界间距比下,总噪声值最大.     

基于声传播算子的声源定位实验模拟方法研究

声传播算子是一种高效的时域声场计算方法,它能够很方便地计算出给定系统参数下任意时刻任意位置的声场变化情况,本文采用这种方法计算所得的二维房间声场信息进行传声器阵列的声源定位仿真实验。计算结果表明,用该方法获取的阵列数据能有效地应用于阵列信号处理算法中,准确地估计出初始高斯脉冲声源的方向。声传播算子声场计算方法能为传声器阵列声源定位的实验提供方便,使得传声器阵列声源定位算法在不同混响时间的鲁棒性实验研究变得更加简捷。     

轻卡进气管的结构优化及其声学性能

为有效降低轻卡进气管的噪声,首先通过原始进气管的噪声实验,测试得出噪声的主要贡献频率,结合管道的布置情况,进行了消声器(谐振腔)的设计,进而完成对进气管的优化设计;通过专业声学分析软件LMS Virtual.lab对优化前后的进气管进行声学性能的模拟研究,得出了谐振腔对声场的具体影响;通过噪声实验,分析出加装谐振腔的进气管相比于原始进气管的降噪效果。研究结果表明：在所研究的进气管噪声的主要贡献频率下(即125 Hz、180 Hz、465 Hz、640 Hz),加装谐振腔后,传递损失均能得到有效增加;在怠速工况和加速工况下,优化后的进气管噪声值均能满足限定值。因此,通过添加谐振腔来优化进气管可以达到了较好的降噪效果。该研究可为汽车进气管降噪元件的优化设计提供一定的指导。