摘要：室內聲學脈沖反向積分法能夠快捷和全面地測量部分聲學參數，但傳統測試受限于系統中各種設備的有線連接方式。目的：為了更加科學和高效地進行各種規格的廳堂聲學測試，方法：本文基于脈沖反向積分法針對丹麥B&K4942和德國Sennheiser MKH800 P48兩種傳聲器在有線模式和無線模式的三種情況下進行了包括早期衰減時間EDT、混響時間T20、混響時間T30、音樂明晰度C80、語言清晰度D50等客觀音質參數的測量。結果：測量結果顯示在100Hz到8000Hz中高頻頻段范圍內測試數據與傳統測試方法相比有較高的復合度，可以在各類廳堂場館的現場工程測試中使用。結論：通過不同測試模式的對比初步驗證了無線測試系統在廳堂聲學測量中的可行性與可靠性。
關鍵詞：聲學；無線測試系統；DIRAC；客觀音質參數
中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：
Abstract: The interior acoustic pulse reverse integration method can be used to measure the partial acoustic parameters quickly and comprehensively. But the traditional test is limited to the wired connection mode of some kinds of equipments in the system. In order to do the acoustic test more scientifically and efficiently for various specifications, this paper do some measurements of objective sound quality parameters such as EDT, T20, T30, C80, D50 in three cases with a wired mode and a wireless mode by B&K 4942 microphone of Denmark and Sennheiser MKH800 P48 microphone of Germany based on pulse reverse integration. The measurement results show that in the frequency range from 100Hz to 8000Hz the test data has good repeatability compared with traditional test method. This method can be used in the engineering test of some venues. By comparing the different test modes, this paper verifies the feasibility and reliability of wireless testing system in the hall in acoustic measurement.
Key words:acoustics; wireless test system; DIRAC system; objective sound quality parameters
從2000年至2015年的這十五年是我國演藝建筑的發展黃金時期，在這期間我國新建了超過200項大型或超大型演藝建筑，建設集群總投資近千億元[1]。這種背景下，近年陸續竣工的新建演藝建筑和運營時間超過10年的待維護演藝建筑的數量也逐漸龐大起來，如何科學、高效的進行建筑聲學指標的測試與評估就成了聲學工作者需要解決的問題。按照傳統的測試方法，測試系統在測試信號采集前端主要采用測試電容傳聲器連接測量前置放大器再連通到聲卡等設備上來進行聲音信號的采集，其主要問題在當面對體量較大的場館廳堂時測試布線的不方便和不安全。在傳統的測試方法上也多采用中斷聲源法來進行信號的激勵與處理，其重復性和穩定性存在一定問題。國際標準化組織ISO自2007年起陸續對例如ISO 3382-1，ISO3382-2等標準進行了修訂，國內相關部門如住建部與國家質檢總局等也對混響時間測量規范進行了修訂，從而為建筑聲學指標的測試與評估提供了標準支持。因為演藝建筑的規模體量有大有小，為了更科學、更高效的進行建筑聲學的測試與音質評價，本文采用了三種傳聲器聲音信號采集模式進行了對比實驗，嘗試找到一種快捷且精確的測量系統來解決大型廳堂的客觀聲學參數測量問題。
基于脈沖反向積分法來測量混響時間[2]基于下述公式(1)：
式中S(t)是穩態噪聲的聲壓衰減函數，尖括號表示群體平均，r(x)是被測房間的脈沖聲響應，N為譜密度。在混響時間測量的國際標準ISO 3382中，脈沖反向積分法和聲源切斷法都是被承認的標準測量方法[3]。
采用脈沖反向積分法進行測量時，首先用脈沖聲對房間進行激勵，記錄下房間的脈沖響應，對這個脈沖響應的平方進行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。由于對脈沖響應進行了積分，得到的聲能衰減曲線比較平滑、波動起伏小且單調下降。反向積分使小信號先進濾波器，濾波器的穩定時間較短。在沒有背景噪聲的理想條件下，積分區間從聲壓為零開始到脈沖接收初始點結束，衰減曲線的方程為下述公式(2)：
式中P為脈沖響應聲壓。計算得到衰減曲線后，根據聲能降低的斜率計算出混響時間[4]。
采用脈沖反向積分法測量有以下優點：
（1）重復性好，普遍認為1次脈沖反向積分法的測量精度與10次聲源切斷法的平均值相當。
（2）測量時記錄脈沖響應，還可以同時得到早期衰減時間EDT等其它輔助聲學參數。
本次對比實驗基于丹麥B&K的DIRAC測試系統進行，測試和輸出端采用DELL筆記本電腦、2734B功率放大器、正十二面體標準聲源、0948音頻接口、4231聲校準器、1704 CCLD信號放大器等作為實驗平臺硬件基礎。
圖1 系統簡要結構框圖
在聲音信號采集前端，傳聲器的有線連接模式是現有聲場測試現場最常用的測試方式，這種模式普遍地應用于廳堂場館的聲學測試中，其優點是：
（1）標準傳聲器性能優異；
（2）有線連接方式數據傳輸安全可靠；
（3）經過長期的工程測試驗證，原始記錄準確。
其缺點是有線連接模式只能應用于中小體量的建筑場館內，如果遇到大型體育場館或音樂廳，傳聲器的布點范圍極大的受限于連接線的長度，而且連線方式極大的影響了布點的效率，如需要進行滿場狀態下測試，這種方式可能會給測試現場帶來大麻煩（一次測量可能耗時2小時以上），甚至不能完成正常的測試流程。
所以針對不同規模室內聲場空間的現場測試考慮，本次實驗采用了4942傳聲器有線連接模式、4942傳聲器無線連接模式和MKH800 P48傳聲器無線連接模式三種不同的聲音信號采集方式來進行對比。此處之所以將消聲箱中校準過的MKH800 P48傳聲器也作為測量用傳聲器來使用，是因為丹麥B&K的所有傳聲器都是全指向性傳聲器，不能進行8字型拾音模式的調制，在現場情況下無法滿足對側向聲能LF/LFC的測試[5]。
圖2 B&K 4942傳聲器頻響曲線圖
圖3 MKH800 P48頻響曲線圖(全指向模式)圖
圖3 MKH800 P48頻響曲線圖(全指向模式)圖
圖4 全指向性極坐標圖[6]
本次實驗選用測試院的標準視聽室作為測試現場。其聲學裝修主要包括吸聲和擴散處理，在天花板中填充吸聲材料，使頻率特性保持平直與均衡。在房間低頻的簡正頻率處適當加強吸聲，防止駐波的影響。其次，在四面墻面鋪設擴散板，使聲場擴散均勻。標準視聽室中，除了音響系統外，還有視頻系統及照明系統，各部分電路系統應相互獨立，防止引入電噪聲。視聽室的裝修后的幾何尺寸按1：1.4：1.9的比例設計，尺寸為7.6m×5.5m×4m ;體積為167m3;設計混響時間為0.3s[7]。
本次實驗依據參考ISO 3382-1和ISO 3382-2標準進行，主要針對早期衰減時間EDT、混響時間T20、混響時間T30、音樂明晰度C80、語言清晰度D50這5個指標[8]進行對比和評估。三種不同傳聲器連接模式下測得的聲學參數原始記錄如下：
| 頻率[Hz] | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| EDT [s] | 0.6 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| T20 [s] | 0.7 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| T30 [s] | 0.6 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| RT [s] | 0.7 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| C80 [dB] | 8.1 | 14.6 | 18.9 | 22.1 | 19.9 | 14.8 | 11.4 | 10.6 | 11.8 |
| D50 [-] | 0.7 | 0.9 | 0.9 | 1.0 | 0.9 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
表1 B&K 4942傳聲器有線連接模式下測試數據
| 頻率[Hz] | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| EDT [s] | 0.5 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| T20 [s] | 0.6 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| T30 [s] | 0.6 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.4 |
| RT [s] | 0.6 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.4 |
| C80 [dB] | 9.2 | 15.8 | 19.6 | 22.5 | 19.8 | 14.8 | 11.4 | 11.0 | 11.6 |
| D50 [-] | 0.7 | 0.9 | 0.9 | 1.0 | 0.9 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
表2 B&K 4942傳聲器無線連接模式下測試數據
| 頻率[Hz] | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| EDT[s] | 0.4 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| T20[s] | 0.6 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| T30[s] | 0.6 | 0.4 | 0.4 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| RT[s] | 0.6 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| C80[dB] | 11.3 | 15.8 | 18.6 | 21.5 | 20.1 | 14.2 | 11.5 | 10.5 | 11.4 |
| D50[-] | 0.7 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
表3 MKH800 P48傳聲器無線連接模式下測試數據
實驗通過對三種不同傳聲器連接模式得到的測試數據的整理和統計，針對上述的早期衰減時間EDT、混響時間T20/T30/RT等指標進行了測試原始數據的對比，得到各個客觀參數指標的數據對比圖如下。可以看出在倍頻帶下，除了31.5Hz和63Hz的測試結果有較大偏差外，其它中高頻段數據相差很小，完全滿足廳堂現場工程測試的需要。
圖5 早期衰減時間EDT數據對比圖
圖6 混響時間T20數據對比圖
圖7 混響時間T30數據對比圖
圖8 混響時間RT數據對比圖
圖9 明晰度C80數據對比圖
圖10 清晰度D50數據對比圖
下表是以最傳統4942傳聲器有線連接模式測得得數據值作為參考值來計算各種方法的相對誤差，結果如下：
| 測試前端連接方式 | 頻率[Hz] | 31.5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| 4942有線(標準值) | EDT [s] | 0.6 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 4942無線相對誤差 | EDT [s] | 18.2% | 9.8% | 0.2% | 2.9% | 0.9% | 2.3% | 1.3% | 4.6% | 0.5% |
| MKH800無線相對誤差 | EDT [s] | 25.8% | 7.1% | 2.0% | 6.4% | 0.2% | 8.3% | 3.2% | 0.7% | 0.4% |
| 4942有線(標準值) | T20 [s] | 0.7 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 4942無線相對誤差 | T20 [s] | 13.6% | 11.9% | 3.9% | 0.6% | 1.0% | 1.2% | 3.1% | 2.3% | 2.0% |
| MKH800無線相對誤差 | T20 [s] | 10.3% | 10.9% | 7.8% | 0.2% | 1.2% | 3.8% | 1.5% | 3.2% | 1.4% |
| 4942有線(標準值) | T30 [s] | 0.6 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 4942無線相對誤差 | T30 [s] | 3.6% | 10.2% | 3.9% | 3.6% | 4.5% | 0.7% | 1.8% | 3.0% | 0.7% |
| MKH800無線相對誤差 | T30 [s] | 6.3% | 8.8% | 9.1% | 2.4% | 3.5% | 0.1% | 0.6% | 1.4% | 0.2% |
| 4942有線(標準值) | RT [s] | 0.7 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 4942無線相對誤差 | RT [s] | 13.3% | 11.9% | 3.1% | 2.6% | 4.9% | 0.3% | 1.5% | 3.2% | 0.7% |
| MKH800無線相對誤差 | RT [s] | 11.4% | 15.5% | 11.0% | 4.3% | 3.5% | 0.8% | 1.1% | 1.6% | 0.1% |
| 4942有線(標準值) | C80 [dB] | 8.1 | 14.6 | 18.9 | 22.1 | 19.9 | 14.8 | 11.4 | 10.6 | 11.8 |
| 4942無線相對誤差 | C80 [dB] | 14.0% | 8.3% | 3.7% | 1.7% | 0.6% | 0.3% | 0.0% | 3.7% | 1.1% |
| MKH800無線相對誤差 | C80 [dB] | 39.8% | 8.2% | 1.9% | 2.8% | 1.0% | 4.1% | 0.9% | 0.7% | 3.0% |
| 4942有線(標準值) | D50 [-] | 0.7 | 0.9 | 0.9 | 1.0 | 0.9 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
| 4942無線相對誤差 | D50 [-] | 5.1% | 2.8% | 1.4% | 0.7% | 1.1% | 2.4% | 2.7% | 2.0% | 0.1% |
| MKH800無線相對誤差 | D50 [-] | 8.5% | 0.4% | 1.6% | 1.4% | 0.7% | 3.0% | 3.6% | 0.3% | 1.4% |
表4 以4942傳聲器有線連接模式為參考的各參數相對誤差
從上述測試結果及分析可以得出以下結論：
1)基于DIRAC的4942、ZE0948、2734B、1704等設備組成的測試系統得到的數據與過往基于PULSE系統的測試值相比，其復現性和重復性都很好，數據真實可靠。
2)該基于DIRAC的無線測試系統在整個測量中，其在100Hz以下低頻段數據與傳統測試方法相比有較大出入，某些典型頻率點相對誤差在10%以上。
3)該基于DIRAC的無線測試系統在整個測量中，其在100Hz以上頻段數據與傳統測試方法相比復合程度較高，采用4942傳聲器的無線系統誤差范圍除去個別測點普遍在3%以內。
4)該基于DIRAC的無線測試系統在整個測量中，其在100Hz以上頻段數據與傳統測試方法相比復合程度較高，采用MKH800傳聲器的無線系統誤差范圍出去各別測點普遍在2%以內。
5)基于DIRAC的無線系統在大型場館中應用方便，其低頻范圍內數據有所偏差，但中高頻段數據可靠性很高，可以嘗試在大型廳堂場館的現場工程測試中使用。
6)KH無線系統與B&K傳聲器對比，數據誤差范圍穩定性稍差，可以通過多次測量來解決該部分問題，其相對誤差相較傳統方法更低，又因為B&K麥克風沒有8字型指向性話筒，在一些聲場測試局限性，MKH800無線系統可以取代B&K麥克風用于大型工程的測試。
本次實驗尚存在一些不足之處，如本次實驗因為時間的限制，沒有進行LF/LFC/IACC的系統對比測試；本次實驗因為條件的限制，沒有進行大型體育場館的對比測試等。