基于Matlab的通風聲學器件性能測試平臺

摘要：聲波是信息與能量的重要載體，聲波測量在結(jié)構(gòu)探測、地震監(jiān)測、材料特性研究等領(lǐng)域有著廣泛應用，隨著新型聲學器件的推廣，搭建可測量其性能的新型聲學測試平臺是聲學器件設計的一個重要環(huán)節(jié)。本文介紹了一種基于Matlab開發(fā)的通風聲學器件性能測試平臺，可控制電機攜帶麥克風掃場，應用軟件對聲波進行濾波降噪、空間定位、角度計算等處理，實現(xiàn)通風聲學器件性能的高精度可控測量。

關(guān)鍵詞：聲學平臺；性能測試；聲強；角度計算

Abstract：Soundwavesareanimportantcarrierofinformationandenergy.Acousticmeasurementiswidelyusedinfieldssuchasstructuraldetection，seismicmonitoring，andmaterialpropertiesresearch.Withthepromotionofnewacousticdevices，buildinganewacoustictestingplatformthatcanmeasuretheirperformanceisanimportantpartofacousticdevicedesign.ThisarticleintroducedaperformancetestingplatformforventilationacousticdevicesdevelopedbasedonMatlab.Itcouldcontrolthemotorcarryingthemicrophonetosweepthefield，andrealizedthesoundwavenoisereduction，spatialpositioning，anglecalculationandotherprocessingbysoftware，achievinghighprecisionandcontrollablemeasurementofventilationacousticdeviceperformance.

Keywords：Acousticplatform；Performancetesting；Soundintensity；Anglecalculation

1概述

作為現(xiàn)代科學的重要分支，聲學是研究聲波（彈性波）的產(chǎn)生、傳播與探測的一門科學，它不僅與航空航天、國防、醫(yī)療等領(lǐng)域密切相關(guān)，也與我們的生活密不可分。人工聲學超材料的出現(xiàn)極大地發(fā)展了聲學材料，一系列新穎的聲學功能和現(xiàn)象得以實現(xiàn)，如聲學負折射、聲隱身、聲學亞波長成像、聲學全息、聲學完美吸收等，這對聲學測試技術(shù)提出了更高的要求。聲波經(jīng)過聲學結(jié)構(gòu)或聲學材料的反射與透射性能的測試是驗證所設計結(jié)構(gòu)與材料功能的重要手段，在聲學研究中占有重要地位。然而，由于聲波在空間中易消散的物理特性，準確測量聲波通過器件后的聲強、角度和相位等信息成為一大難題。

本文介紹了一種基于Matlab的電動掃場聲學器件性能測量裝置，可以實現(xiàn)大角度范圍內(nèi)快速測量聲波通過器件后的聲強和相位分布，實驗測量裝置適用于大多數(shù)陣列型聲學器件，對于多種不同類型的聲學器件具有測量普適性。

2實驗裝置

硬件裝置設計如圖1所示，主要包含上位機、采集控制模塊、電動掃場模塊、聲源和聲波檢測處理模塊。上位機為電腦，電動掃場模塊由驅(qū)動器、電機、滑動平臺組成，聲源和聲波檢測處理模塊包含信號發(fā)生器、喇叭陣列和聲波探頭等。

上位機通過通信接口發(fā)送指令，指令內(nèi)容包括掃描速度、掃描坐標、掃描點數(shù)等參數(shù)，Matlab程序控制單元執(zhí)行指令解析、電機控制和聲波激發(fā)等任務，滑動平臺兩側(cè)裝有霍爾傳感器用于限定平臺的最大掃場范圍和定位平臺坐標原點，電機控制單元接收程序指令控制電機運轉(zhuǎn)。掃場平臺控制軟件整體設計如圖2所示。

為了克服聲波在三維空間中傳播方向不確定、自由空間中消散快的問題，測試裝置使用兩塊厚底大于5mm的透明亞克力板覆蓋裝置的上下兩面，形成狹小的空間，抑制聲波在空間中的傳播范圍，從而解決聲波在三維空間消散速度快的問題，實物裝置如圖3所示。

3聲場特性測試

聲場測試中，常用的聲源有點聲源和平面波聲源兩種，點聲源設計只需要采用單喇叭即可，但平面聲波設計比較復雜。本文采用喇叭陣列形成面聲源，多個喇叭在同一高度排列，達到一定長度，從而每個喇叭發(fā)出的聲強在空間卷積形成高斯波束，使大部分聲波能量聚集在一定范圍內(nèi)。由于形成了高斯波束，入射聲波的入射角就可以確定，可以實現(xiàn)控制聲波傳播方向的目的。在聲波出射的方向，只要尋找到聲強最大的位置，即高斯波束的位置，便可以知道通過聲學器件之后聲波角度信息。

3.1角度計算原理

由于入射聲波為高斯波束，能量集中，且裝置設定使入射波束的中心點恰好入射至測量器件的幾何中點。假設電機帶動滑臺掃場一次所需要的時間為T，電動機受限于出場轉(zhuǎn)速設定，帶動麥克風以速度v勻速運動，麥克風與器件之間的距離xd恒定，電機掃場距離d恒定。正是因為高斯波束入射，出射聲波也應為高斯波束。

設計Matlab程序?qū)ふ叶虝r能量最大的點，以最大點為起點，前后搜索短時能量偏離平均值的點，當差值大于一定閾值時，則檢測出前后端點，停止尋找。假設所識別出的高斯波束開始與結(jié)束的時間分別為t1和t2，可以推導得到高斯波束的中央位置時間為：

t=t1+t22（1）

滑臺勻速運動，運動時間為T/2時恰好運動到器件的幾何中點處，高斯波束中心位置距離聲學器件幾何中心的距離xs即為：

xs=v·T-（t1+t2）2（2）

假設入射波的入射角為α，通過聲學器件后對應的出射角為θ。

根據(jù)xs、xd、θ之間的幾何關(guān)系，可以推導得到：

tanθ=xsxd=v［T-（t1+t2）］2xd（3）

于是，就可以得到出射角：

θ=tanθ-1v［T-（t1+t2）］2xd（4）

設程序根據(jù)理論計算出的相應的折射角為β，百分不確定度S就等于

S=β-θβ×100%（5）

根據(jù)以上運算思路，程序便可輸出對應入射角的出射角θ，理論值β、百分不確定度S。

3.2Matlab聲音信號處理

電機滑臺帶動麥克風沿一定方向運行，從一端移動到另一端即完成一次掃場工作，與此同時，麥克風采集聲音可實現(xiàn)一次掃場的音頻錄制，記錄下掃場各點的聲強。

麥克風采集的聲音信號包含大量影響實驗結(jié)果的噪聲，需要進行降噪處理，這里應用Matlab對聲音信號進行加窗、分幀、濾波等方法進行處理。首先，畫出橫軸為采樣點、縱軸為幅度的時域圖，對其進行FFT變換，得到頻域分布圖像，如圖6所示，頻域圖可以看出有兩個峰值，一個是聲源4000Hz的信號，另一個則表面在低頻500Hz附近有較大噪聲。

對聲信號進行FIRBartlet高通濾波，去除低頻噪聲，濾波后信號如圖7所示。濾波后聲信號明顯去除了毛刺，并且500Hz附近的噪聲被濾除。

進一步把采樣點轉(zhuǎn)化為時間，將幅度轉(zhuǎn)化為聲的能量分布，并且將聲信號的峰找出來，標出起始點和終點位置（如圖8所示），可以得到峰的起始時刻為t1，峰的終點時刻為t2。

根據(jù)起始點和終點，以及麥克風至復雜結(jié)構(gòu)的距離，可以推導出衍射角的大小，并將入射和透射聲方向的示意圖用Matlab畫出，如圖9所示，中間豎線為所設計的結(jié)構(gòu)，左側(cè)為入射波，右側(cè)為透射波。

結(jié)語

本文介紹了一種基于Matlab的聲學器件性能測試平臺，應用電動掃場攜帶麥克風的方式采集空間中的聲信號，經(jīng)過Matlab濾波降噪、空間定位和角度計算等處理，可以大角度范圍內(nèi)完成聲波通過器件后的聲強和相位分布的快速測量。在實際項目應用中可根據(jù)應用環(huán)境要求，可視化地顯示入射與透射角度等，測試平臺靈活可調(diào)，適用性強。

參考文獻：

［1］陶俊.基于聲學超材料的定向聲波發(fā)射研究［D］.華中科技大學，2022.

［2］潘天辰，趙金龍，黃永政，等.可視化聲學實驗內(nèi)容的設計［J］.大學物理實驗，2023，36（03）：16.

［3］祝雪豐，陳卓，曾龍生，等.基于聲學人工透鏡的超分辨聚焦［J］.物理實驗，2023，43（10）：116.

［4］張兆奎，繆連元，張立.大學物理實驗［M］.北京：高等教育出版社，2011：232236.

［5］LiY，LiangB，GuZ，etal.Reflectedwavefrontmanipulationbasedonultrathinplanaracousticmetasurfaces［J］.ScientificReports，2013，3：2546.

［6］田源，葛浩，盧明輝，等.聲學超構(gòu)材料及其物理效應的研究進展［J］.物理學報，2019，68（19）：12.

［7］辛鋒先，劉學偉，伍曉紅，等.COMSOL可視化仿真在聲學理論課程中的應用與實踐［J］.高教學刊，2018（24）：14.

基金項目：本文系蘇州大學大學生課外學術(shù)科研基金項目（項目編號：KY2023052A）及蘇州大學高等教育教改研究課題“電磁學實驗教學中創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的改革與實踐”（項目編號：202338）研究成果

作者簡介：韓振宇（2003—），男，漢族，浙江杭州人，本科，研究方向：物理學。

*通訊作者：劉波（1994—），男，漢族，山東濟南人，碩士，助理實驗師，研究方向：大學物理實驗教學。