传声器的声场特性转换方法与电容型测试传声器系统与流程

1.本技术涉及测量传声器技术领域，特别是涉及一种电容型测试传声器的声场特性转换方法与电容型测试传声器系统。


背景技术：

2.声学测试中常用的测试用传声器为电容型测试传声器。为了让测量出的声学量值统一并且可以传递，国标标准及国家标准规定了测试电容传声器的标准外型尺寸(主要是直径)，标准的电容型测试传声器的外型尺寸有φ23.77、φ12.7、和φ6.3三种，为电容型测试传声器的直径。
3.电容型测试传声器放在现场测量时由于自身有一定的尺寸,这个尺寸与高频时声波的波长接近，从而对声场造成影响，这个影响的大小是与传声器尺寸有关。声波的频率越高，波长越短，传声器尺寸对声场造成的影响就越大。
4.为了补偿这个影响，测试电容传声器在设计及生产时，根据所使用的声场不同，会将传声器的高频频响做出相应的调整。一般声学测试中，在自由空间里使用自由场型传声器，在混响室里使用扩散场型传声器，在耦合腔里使用压力传声器。
5.这导致在不用声场环境下需要使用不同类型的传声器，大大增加了测试成本。


技术实现要素：

6.基于此，有必要针对传统电容型测试传声器在使用时在不用声场环境下需要使用不同类型的传声器，导致测试成本高的问题，提供一种电容型测试传声器的声场特性转换方法。
7.本技术提供一种电容型测试传声器的声场特性转换方法，所述方法包括：
8.将电容型测试传声器置于第一声场内，并获取电容型测试传声器在第一声场内的频响曲线，得到第一频响曲线；
9.将电容型测试传声器置于第二声场内，并获取电容型测试传声器在第二声场内的频响曲线，得到第二频响曲线；
10.将第一频响曲线和第二频响曲线做相减处理，得到频响补偿曲线；
11.构建一个滤波器，调整所述滤波器的传递函数，以使得所述滤波器的频响曲线与所述频响补偿曲线相同；
12.将所述滤波器和电容性测试传声器进行连接。
13.本技术还提供一种声场特性可自由变换的电容型测试传声器系统，包括：
14.电容型测试传声组件，包括电容型测试传声器和滤波器；所述滤波器与电容型测试传声器通信连接；
15.a/d转换器，与电容型测试传声组件通信连接；
16.单片机，与所述a/d转换器通信连接；所述单片机还与所述电容型测试传声组件通信连接，所述单片机用于执行如前述内容提及的电容型测试传声器的声场特性转换方法。
17.本技术涉及一种电容型测试传声器的声场特性转换方法及声场特性可自由变换的电容型测试传声器系统，通过引入一个滤波器电容型测试传声器进行连接，控制滤波器的传递函数使得滤波器可以对传声器的频响进行补偿，可以实现一个电容型测试传声器可以用在不同声场内，大大降低使用成本。
附图说明
18.图1为本技术一实施例提供的电容型测试传声器的声场特性转换方法的流程示意图。
19.图2为本技术一实施例提供的电容型测试传声器的声场特性转换方法中，自由型声场内的频率值-频响曲线图。
20.图3为本技术一实施例提供的电容型测试传声器的声场特性转换方法中，压力型声场内的频率值-频响曲线图。
21.图4为本技术一实施例提供的电容型测试传声器的声场特性转换方法中，压力型声场内的频率值-频响曲线与自由型声场内的频率值-频响曲线的频响补偿曲线图。
22.图5为本技术一实施例提供的电容型测试传声器的声场特性转换方法中，频率值-幅频响应值曲线图。
23.图6为本技术一实施例提供的声场特性可自由变换的电容型测试传声器系统的结构示意图。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
25.本技术提供一种电容型测试传声器的声场特性转换方法。需要说明的是，本技术提供的电容型测试传声器的声场特性转换方法的应用于任何直径的电容型测试传声器。
26.此外，本技术提供的电容型测试传声器的声场特性转换方法不限制其执行主体。可选地，本技术提供的电容型测试传声器的声场特性转换方法的执行主体可以为一个与电容型测试传声器相连接的单片机。
27.如图1所示，在本技术的一实施例中，所述电容型测试传声器的声场特性转换方法包括如下s100至s500：
28.s100，将电容型测试传声器置于第一声场内，并获取电容型测试传声器在第一声场内的频响曲线，得到第一频响曲线。
29.具体地，频响曲线的横坐标为频率值，纵坐标为频率值对应的输出电压级。输出电压级由输出电压转化而来。频响曲线即频率值-频响曲线。
30.可选地，第一声场可以为自由型声场，得到的第一频响曲线如图2所示。
31.s200，将电容型测试传声器置于第二声场内，并获取电容型测试传声器在第二声场内的频响曲线，得到第二频响曲线。
32.具体地，第二声场是与第一声场类型完全不同的声场。第二声场可以为压力型声场，得到的第二频响曲线如图3所示。
33.s300，将第一频响曲线和第二频响曲线做相减处理，得到频响补偿曲线。
34.具体地，相减处理是指，针对于同一个横坐标，即频率值，分别在第一频响曲线和第二频响曲线中取对应的纵坐标，即输出电压级，将两个纵坐标相减，得到一个差值。可以理解，针对每一个横坐标均做相同的处理，那么最终会得到一条曲线，这条曲线就是频响补偿曲线。
35.s400，构建一个滤波器，调整所述滤波器的传递函数，以使得所述滤波器的频响曲线与所述频响补偿曲线相同。
36.具体地，如图1所示，电容型测试传声器拾音存在误差是很难避免的，在不考虑误差的情况下，自由型声场下的频响曲线可以近似认为一条直线。如图2所示，在另一个压力型声场下，频响曲线在4k频率值后明显产生了弯折。
37.为了使得自由型声场下的频响曲线和压力型声场下的频响曲线相同，都是一条直线。为了达到这个目的，本实施例通过构建滤波器，使滤波器对电容性测试传声器进行补偿。具体的，采用了先得到频响补偿曲线，再调整所述滤波器的传递函数，以使得所述滤波器的频响曲线与所述频响补偿曲线相同的方法。
38.s500，将所述滤波器和电容性测试传声器进行连接。
39.具体地，滤波器是具有电路结构的，根据滤波器的传递函数，可以计算出滤波器内各电阻和电容的标称值，从而设计出一个完整的滤波器，从而进一步将滤波器和电容性测试传声器进行连接，完成本方法。
40.本实施例中，通过引入一个滤波器与电容型测试传声器进行连接，控制滤波器的传递函数使得滤波器可以对传声器的频响进行补偿，可以实现一个电容型测试传声器可以用在不同声场内，大大降低使用成本。
41.在本技术的一实施例中，所述第一声场为自由型声场、压力型声场和扩散型声场中的一种，所述第二声场为自由型声场、压力型声场和扩散型声场中的一种，所述第一声场和第二声场不同。
42.具体地，本技术提供电容型测试传声器的声场特性转换方法，可以实现在自由型声场、压力型声场和扩散型声场中的任意两个不同的声场之前进行切换。
43.在本技术的一实施例中，s100包括如下s110至s140：
44.s110，将电容型测试传声器置于消声室内，并获取电容型测试传声器在不同频率值下的输出电压值，得到自由型声场内的频率值-电压值曲线。
45.具体地，本实施例介绍了第一声场为自由型声场的情形。将电容型测试传声器置于消声室内，就等同于自由型声场的环境，此时测量电容型测试传声器在不同频率值下的输出电压值vi，并绘制频率值-电压值曲线。
46.s120，将每一个输出电压值依据公式1转化为输出电压级，以将频率值-电压值曲线转化为频率值-输出电压级曲线。
47.ki＝20log
10
(vi)
ꢀꢀꢀ
公式1
48.其中，vi为输出电压值。ki为输出电压级。i为频率值。
49.具体地，输出电压级的单位为db，db是一个纯计数单位。db目的是就是把一个很大(后面跟一长串0的)或者很小(前面有一长串0的)的数比较简短地表示出来，方便计算和统计。
50.s130，选取250hz频率值对应的输出电压级作为基准值，计算每一个频率值对应的输出电压级与所述基准值的差值。进一步地，将所述差值作为每一个频率值对应的频响参数值，得到自由型声场内的频率值-频响曲线。
51.具体地，自由型声场内的频率值-频响曲线如图2所示。
52.s140，将自由型声场内的频率值-频响曲线作为第一频响曲线。
53.具体地，如图2所示，自由型声场内的频率值-频响曲线近似为一条直线。
54.本实施例通过将，将电容型测试传声器置于消声室，从而创造了自由型声场的环境，从而顺利获取了电容型测试传声器在自由型声场内的频率值-频响曲线。
55.在本技术的一实施例中，s200包括如s210至s250：
56.s210，将静电激励器与电容型测试传声器耦合，控制所述静电激励器对电容型测试传声器施加一个静电场，以形成压力型声场。
57.具体地，静电激励器可以对电容型测试传声器施加一个静电场，静电场产生引力，引力对电容器的振膜片产生振动，这近似一种压力响应，从而形成压力场。
58.s220，获取在压力型声场下，电容型测试传声器在不同频率值下的输出电压值，得到自由型声场内的频率值-电压值曲线。
59.具体地，s220与s110原理类似，此处不再赘述。
60.s230，将每一个输出电压值依据公式1转化为输出电压级，以将频率值-电压值曲线转化为频率值-输出电压级曲线。
61.具体地，s230与s120原理类似，此处不再赘述。
62.s240，选取250hz频率值对应的输出电压级作为基准值，计算每一个频率对应的输出电压级与所述基准值的差值，作为每一个频率值对应的频响参数值，得到压力型声场内的频率值-频响曲线。
63.具体地，s240与s130原理类似，此处不再赘述。压力型声场内的频率值-频响曲线如图3所示。
64.s250，将压力型声场内的频率值-频响曲线作为第二频响曲线。
65.具体地，s250与s140原理类似，此处不再赘述。如图3所示，压力型声场内的频率值-频响曲线并不是一条直线，在4khz频率值后面的部分出现了弯折。
66.本实施例通过引入静电激励器，将静电激励器与电容型测试传声器耦合，从而创造了压力型声场的环境，从而顺利获取了电容型测试传声器在压力型声场内的频率值-频响曲线。
67.在本技术的一实施例中，所述s300包括如下s310至s370：
68.s310，选取n个频率值。n为正整数。且n大于或等于10。
69.s320，选取一个频率值。
70.s330，获取第一频响曲线中所述频率值对应的输出电压级，获取第二频响曲线中所述频率值对应的输出电压级。
71.s340，计算第一频响曲线中的所述频率值对应的输出电压级和第二频响曲线中所述频率值对应的输出电压级的差值，以得到频响补偿值。
72.s350，返回s320，直至得到n个频响补偿值为止。
73.s360，将每一个频率值和与频率值对应的频响补偿值组成一个频响补偿点，得到n
个频响补偿点。
74.s370，将n个频响补偿点平滑连接，得到一条频响补偿曲线。
75.具体地，以图2所示的第一频响曲线与图3所述的第二频响曲线做相减处理，执行s310至s370，可以得到图3所示的频响补偿曲线。频响补偿曲线也就是我们想要达到的补偿目标。频响补偿曲线如图4所示。
76.本实施例中，通过计算每一个频率值下，第一频响曲线中与频率值对应的输出电压级和第二频响曲线中与频率值对应的输出电压级的差值，以得到频响补偿值，并绘制频响补偿曲线，可以实现补偿目标的具体呈现，为后续滤波器的传递函数设置提供目标。
77.在本技术的一实施例中，包括所述s400包括如下s410至s440：
78.s410，创建一个滤波器。
79.具体地，本步骤创建的是一个模拟域的滤波器。
80.s420，设置所述滤波器的传递函数，所述滤波器的传递函数表达式如公式2所示。
[0081][0082]
其中，h(s)为传递函数。s为模拟域参数。a为第一优化系数。b为第二优化系数。c为第三优化系数，d为第四优化系数。f为第五优化系数。
[0083]
具体地，s和h(s)是模拟域的数据，这代表这些数据是连续的。
[0084]
s430，令s等于jω，以将滤波器的传递函数表达式转化为滤波器的频率响应参数表达式。滤波器的频率响应参数表达式如公式3所示。
[0085][0086]
其中，h(jω)为频率响应参数。a为第一优化系数。b为第二优化系数。c为第三优化系数。d为第四优化系数。f为第五优化系数。j为复数的虚部。ω为角频率。
[0087]
具体地，角频率为2π
×
频率值。
[0088]
s440，依据公式4，调整第一优化系数、第二优化系数、第三优化系数、第四优化系数和第五优化系数，使得每一个频率值对应的幅频响应值均与该频率值对应的频响补偿值相等。
[0089][0090]
其中，i为频率值。ω为角频率。|h(j ω)|为频率响应参数的模。w(jω)为滤波器的幅频响应值。
[0091]
具体地，h(jω)是具有相位和幅度两个方向的信息的。取h(jω)的模，即将h(jω)的幅度信息提取出来，得到|h(j ω)|。再通过计算20log
10
|h(j ω)将|h(j ω)|转化为和频响补偿曲线纵坐标相同的单位，即频响补偿值的单位db，这样就统一了单位量纲，方便调平幅频响应值和频响补偿值，控制二者相等，。
[0092]
即我们的目的，是让图5所示的频率值-幅频响应值曲线和图4所示的频率值-频响曲线的频响补偿曲线趋近于完全一致。
[0093]
本步骤中，调整第一优化系数、第二优化系数、第三优化系数、第四优化系数和第
五优化系数，要使得每一个频率值对应的幅频响应值均与该频率值对应的频响补偿值相等。
[0094]
可选地，调整第一优化系数、第二优化系数、第三优化系数、第四优化系数和第五优化系数，使得每一个频率值对应的幅频响应值均与该频率值对应的频响补偿值的差值的绝对值大于等于0且小于等于0.5db。因为很难做到得每一个频率值对应的幅频响应值均与该频率值对应的频响补偿值都完全相等，那么可以给予大于等于0且小于等于0.5db这样一个误差范围，更符合实际情况。
[0095]
本实施例中，先将滤波器的传递函数表达式转化为滤波器的频率响应参数表达式，再调整第一优化系数、第二优化系数、第三优化系数、第四优化系数和第五优化系数，使得每一个频率值对应的幅频响应值均与该频率值对应的频响补偿值，从而实现滤波器可以实现补偿功能，使得电容型测试传声器在第二声场的输出结果和第一声场的输出结果保持一致，使得电容型测试传声器可以用在不同声场内，大大降低使用成本。
[0096]
在本技术的一实施例中，在s500之后，所述电容型测试传声器的声场特性转换方法包括如下：
[0097]
s610，基于公式5，将模拟域参数转化为离散域表达式。
[0098][0099]
其中，s为模拟域参数。z为预设复数re
jω
。ta为预设采样时间间隔。
[0100]
具体地，本实施例还将模拟域的滤波器的传递函数表达式转化为离散域形式，这样是因为离散域形式为数字时间序列，使用时电容型测试传声器的数据的准确性和电容型测试传声器的稳定性上更佳。
[0101]
所述预设复数的值为re
j ω
，其具有虚部j。ta为预设采样时间间隔，可以取0.01毫秒。
[0102]
s620，将公式5代入至公式2，以将滤波器的传递函数表达式利用双线性变换法进行z变换，得到离散域时间序列的表达式，离散域时间序列的表达式如公式6所示。
[0103][0104]
其中，z为预设复数re
jω
。h(z)为ta为预设采样时间间隔。a0为第一离散域参数。a1为第二离散域参数。a2为第三离散域参数。b1为第四离散域参数。b2为第五离散域参数。
[0105]
具体地，电容型测试传声器的直径可以为23.77毫米、12.7毫米和6.3毫米。12.7毫米直径的电容型测试传声器较为常见，当电容型测试传声器为12.7毫米直径时，第一离散域参数a0为1.2533，第二离散域参数a1为0.0178，第三离散域参数a2为0.0579，第四离散域参数b1为0.2105，第五离散域函数b2为0.0501。
[0106]
将公式5代入至公式2后，公式2转化为公式6，公式2中的第一优化系数a，第二优化系数b，第三优化系数c，第四优化系数d，第五优化系数f自然而然的转化为第一离散域参数a0，第二离散域参数a1，第三离散域参数a2，第四离散域参数b1，第五离散域函数b2。这里的意思不是说a转化为了a0，b转化为了a1，而是在式2转化为公式6后，公式6进行简化整理时，自然而然的出现了a
0-b2五个参数，a-f五个参数消亡了。
[0107]
本实施例中，通过将模拟域的滤波器的传递函数表达式转化为离散域形式，使得电容型测试传声器声场转换后输出的数据的准确性和电容型测试传声器声场转换后输出的数据稳定性大大提升。
[0108]
在本技术的一实施例中，在s620之后，所述电容型测试传声器的声场特性转换方法还包括：
[0109]
s630，将电容型测试传声器置于第一声场内，每隔预设采样时间间隔获取电容型测试传声器拾取的输入声信号，将所述输入声信号通过a/d转换器转换为数字信号序列x(t)。
[0110]
具体地，所述输入声信号是通过传声器(可以具体为麦克风)先转换为电信号，再将电信号通过a/d转换器转换为数字信号序列x(t)的，本步骤省略了转换为电信号的步骤。
[0111]
s640，将数字信号序列x(t)代入至公式7中，得到第二声场内的数字信号序列y(t)。
[0112][0113]
其中，y(t)为第二声场内的数字信号序列。y
t
为第二声场内t时刻的电压值。y
t-1
为第二声场内t时刻的前一个时刻的电压值。x
t
为第一声场内t时刻的的电压值。x
t-1
为第一声场内t时刻的前一个时刻的电压值。a0为第一离散域参数。a1为第二离散域参数。a2为第三离散域参数，b1为第四离散域参数，b2为第五离散域参数。
[0114]
具体地，将数字信号序列x(t)代入至公式7中，求解y(t)时，可见，y1＝a0×
x1，y2＝a0×
x2 a1×
x
1-b1×
y1，y3＝a0×
x3 a1×
x2 a2×
x
1-b1×
y2 b2×
y1，从y3开始，算一个y
t
需要5个数据的代入，分别是x
t
，x
t-1
，x
t-2
，y
t-1
和y
t-2
。依次类推，可以计算出每一个时刻下经公式7转化的电压值，转化后的数字时间序列y(t)就是转化为第二声场内的数字信号序列。
[0115]
本实施例中，通过电容型测试传声器拾取到声信号后转变电信号，电信号进入a/d转变为数字时间序列。通过对数字时间序列按公式7进行转化，就可以得到新的数字时间序列，新的数字时间序列就是转变为第二声场下的电容型测试传声器后的测试结果。
[0116]
本技术还提供一种声场特性可自由变换的电容型测试传声器系统。
[0117]
如图6所示，在本技术的一实施例中，所述声场特性可自由变换的电容型测试传声器系统包括电容型测试传声组件100、a/d转换器200和单片机300。
[0118]
电容型测试传声组件100包括电容型测试传声器110和滤波器120。所述滤波器120与电容型测试传声器110通信连接。所述a/d转换器200与电容型测试传声组件100通信连接。所述单片机300与与所述a/d转换器200通信连接。所述单片机300述电容型测试传声组件100通信连接。所述单片机300用于执行前述内容提及的电容型测试传声器的声场特性转换方法。
[0119]
具体地，本技术中只在声场特性可自由变换的电容型测试传声器系统的部分对设备和元件进行标号，前述电容型测试传声器的声场特性转换方法的各个实施例中虽然出现相同名称的设备和元件，为了保持行文简洁，不进行标号。
[0120]
电容型测试传声器的直径可以为23.77毫米、12.7毫米和6.3毫米。
[0121]
可选地，所述电容型测试传声组件100可以只包括包括电容型测试传声器110，不包括滤波器120，可以通过单片机300采用数学计算的方式实现滤波器120的功能，即单片机300调用电容型测试传声器的声场特性转换方法，以实现虚拟滤波器的功能。
[0122]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0123]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。