考虑动能密度与非自由衰变的室内低频声场研究

Reverberation time should be evaluated from averaged acoustic energy density free decay function. While, the traditional measurement method can achieve the potential energy density decay function only when using sound pressure microphone, and cannot achieve the kinetic energy density. The potential energy density cannot represent the energy density below Schroeder frequency. The filter can also influence the decay function, especially for narrow frequency-band at low frequency, because the potential energy density does not decay freely but is compensated by the energy from sound source along with its decay by using the existing filtering method. Whether lack of kinetic energy density or non-free decay can lead to incorrect low-frequency acoustic energy density decay function, and thus influence the evaluation of low frequency reverberation time..This project intends to calculate potential energy density and kinetic energy density by acquiring sound pressure and 3D particle velocity together, and achieve the acoustic energy density freely decay function without the influence of filtering process, and thus reduce the deviation of reverberation time evaluation below Schroeder frequency. It will give rise to the improvement of low frequency sound field analysing and measurement in reverberation room, insulation laboratry and other rooms.

混响时间是基于室内平均声能密度自由衰变函数进行拟合估值的。可是传统的声压测量方式得到的仅是位能密度衰变函数，而缺少动能密度的信息，在Schroeder频率以下的低频段，位能密度是不能完全表征声能密度的，必须同时考虑动能密度的变化。此外，现有的滤波方式会导致声场的非自由衰变，即在其衰变过程中仍然伴随有声源激励。测试频率越低，频带越窄，滤波器对衰变函数的影响越大。不论是缺少动能密度还是存在非自由衰变，都将导致无法获得正确的室内声场低频声能密度衰变函数。.本项目拟通过同时获得测点处的声压和三维质点振动速度，来求取对应的位能密度和动能密度。在将滤波器的影响消除后，在时域上得到相对平滑的真正意义上的低频“声能密度自由衰变函数”，有效降低混响时间的估值偏差。本项目的成果对室内低频声场的研究具有重要的学术意义，对混响室、隔声室以及其他房间内的低频测量与分析也具有重要的实际应用价值。

传统基于声压脉冲响应反向积分法的位能密度衰变函数缺失了动能密度信息，且受滤波器影响会产生非自由衰变，导致无法获得正确的室内声场低频声能密度衰变函数。本项目通过同时获得声压和三维质点振动速度，来求取对应的位能密度和动能密度，从而获得声能密度。基于自由衰变窄带噪声的位能密度和动能密度的统计平均，提出了声压和质点振动速度的开时间窗滤波的脉冲响应积分法，得到窄带声能密度的自由衰变函数，消除了滤波器的影响。该方法还可以在频域上得到纯音激励条件下的声能密度自由衰变的时频函数，这尤其对于分析Schroeder频率以下的低频离散模式的声能密度衰变规律有重要理论价值和实际意义。对单模式振动系统和一维阻抗负载声场的自由衰变与非自由衰变进行了理论计算，分析了单一位能密度或动能密度自由衰变的非单调性，证明了声能密度的自由衰变可以有效降低混响时间和早期衰变时间的估值偏差。此外，还基于统计声学理论，提出混响声能密度脉冲响应延迟时间的计算方法，通过房间几何参数和混响时间构建声能密度脉冲响应函数，用于计算厅堂音质客观参量。并利用调制的声源声功率与声能密度脉冲响应的卷积关系，得到了声场的调制传递函数，用于计算语音传输指数STI。.本项目的研究工作提高了低频声场衰变过程客观测量的准确性，对室内低频声场的研究有学术意义，对混响室、隔声室以及其他房间内的低频测量与分析也具有实际应用价值，同时也拓展了声能密度脉冲响应在统计声学上的应用，对厅堂音质设计与分析有重要的参考价值与指导意义。