2009-2010擬開設(shè)聲學(xué)實驗.doc

實驗1 測試系統(tǒng)特性及仿真【實驗?zāi)康摹?. 熟練掌握一階、二階測試系統(tǒng)的動態(tài)特性；2. 正確理解動態(tài)特性參數(shù)對系統(tǒng)的影響；3. 掌握用Matlab語言對系統(tǒng)進行時域及頻域分析的方法；【實驗儀器】硬件：普通計算機，軟件：Matlab7.0【實驗原理】 一、傳遞函數(shù)模型一般的聲學(xué)系統(tǒng)多數(shù)情況下可以認為是線性時不變系統(tǒng)(LTI)，數(shù)學(xué)模型通常用常系數(shù)線性微分方程來描述，即 對上式兩邊取傅立葉變換，令,可得 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:系數(shù)數(shù)組，稱為傳遞函數(shù)的二對組。在matalb中我們可以通過調(diào)用tf函數(shù)來來創(chuàng)建LTI模型。本實驗主要使用傳遞函數(shù)模型來分析兩種單輸入單輸出的測試系統(tǒng)特性。一種是一階測試系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為： ，另一種是二階測試系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為：二、實驗用Matlab命令 SYS=tf(NUM,DEN) 利用傳遞函數(shù)二對組創(chuàng)建LTI模型； NUM, DENtfdata(S-LTI) 從LTI對象獲得傳遞函數(shù)二對組； Y,Tstep(S-LTI) 計算或繪制LTI對象S-LTI的階躍響應(yīng)； Y,Timpulse(S-LTI) 計算或繪制LTI對象S-LTI的沖擊響應(yīng)； Y,Tlsim(S-LTI,U,T) 計算或繪制LTI對象S-LTI的任意輸入響應(yīng)； bode(S-LTI) 繪制LTI對象S-Lti的Bode圖；【實驗步驟】1.打開Matlab，熟悉信號處理的相關(guān)指令；2.假定一階測試系統(tǒng)的輸入為：編寫m文件一連畫出輸入及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的時域曲線，分析幅值及相位的變化情況；3.在matlab中編寫m文件，畫出一階測試系統(tǒng)的Bode圖(對數(shù)頻率特性)、沖擊響應(yīng)曲線及階躍響應(yīng)曲線；4.時，編寫m文件畫出二階測試系統(tǒng)的Bode圖，阻尼比分別為0.1、0.7、2.0。5給出阻尼比時的沖擊響應(yīng)曲線及階躍響應(yīng)曲線，通過曲線測定二階測試系統(tǒng)動態(tài)特性指標(biāo)值、，和理論值進行比較；【注意事項】1MATLAB命令輸入必須在英文輸入狀態(tài)下進行。2系統(tǒng)的輸入輸出曲線及不同阻尼比的Bode圖應(yīng)畫在同一坐標(biāo)中以便進行比較思考題一階、二階測試系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)是什么？通過什么方法可獲得這些參數(shù)？ 實驗2 噪聲聲級測量隨著社會經(jīng)濟科技的發(fā)展，環(huán)境問題已被國際社會公認為是影響21世紀可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題，而噪聲污染更是21世紀首要攻克的環(huán)境問題之一。人們在享受現(xiàn)代物質(zhì)文明的同時，也會受到相應(yīng)的噪聲與振動帶來的危害。為了了解噪聲污染的規(guī)律，找到防治噪聲污染的有途徑，對其進行正確的測試是必不可少的環(huán)節(jié)。【實驗?zāi)康摹?.測量噪聲源的聲壓級及聲級；2.了解噪聲的基本度量級評價參量；3.掌握聲級計的基本結(jié)構(gòu)原理及其使用方法?！緦嶒瀮x器】聲級計(型號待定)、聲級校準器(型號待定)、噪聲源(任選一種)【實驗原理】噪聲有兩種意義：在物理上指不規(guī)則的、間歇的或隨機的聲振動；在心理上指任何難聽的、不諧和的聲或干擾。為了對噪聲進行控制和治理，必須對其聲學(xué)特征、頻譜進行分析。噪聲可用它的強度、頻率特性及時間特性來描述。1.1 噪聲的客觀物理度量作為噪聲強度的客觀物理度量，可以用聲壓級(聲強級和聲功率級)來表示。聲壓級定義為: (1-1)式中為待測聲壓的有效值，為參考聲壓。聲強級定義為: (1-2)式中為待測聲強，為參考聲強。聲強級定義為: (1-3)其中為待測聲強，為參考聲強。由空氣中聲強級近似地等于聲壓級的關(guān)系可得出：以及 (1-4)以上就是空氣中聲強級、聲壓級與聲功率級之間的關(guān)系。必須注意的是式(1-4)成立的條件必須是自由聲場，即除了聲源發(fā)聲外，其他聲源的聲音和反射聲的影響均小到可以忽略不計的程度。1.2 噪聲的主觀評價噪聲對人的影響要由人的主觀感覺來衡量。人耳聽聲，雖說聲壓越大，聲音越響，但聲壓與人耳感覺的響度并不成比例關(guān)系，而是近似成對數(shù)關(guān)系；同時人耳對于不同頻率聲音的響度感覺也是不一樣的，因此，根據(jù)人耳的聽覺特性，引入響度與響度級、計權(quán)聲級和等效連續(xù)聲級等主觀評價量。(1) 響度與響度級為了確定某一聲音的輕與響的程度，最簡單的方法就是把它和另一個標(biāo)準的聲音相比較(ISO規(guī)定為1kHz純音)，調(diào)節(jié)1kHz純音的聲壓級，使它和所研究的聲音聽起來有同樣的響，這時1kHz純音的聲壓級就被定義為該聲音的響度級，響度級的單位稱為方。例如1kHz純音的聲壓級為60dB時與某一聲源發(fā)出的聲音聽起來同樣的響，那么不管聲源聲音的聲壓級是多少，它的響度級被認為是60方。按照以上規(guī)定，顯然對1kHz的純音，其以分貝計的聲強級與以方計的響度級數(shù)值上是相等的。對各個頻率的聲音都作這樣的試聽比較，把聽起來同樣響的各對應(yīng)聲壓級按頻率連成一條條曲線，這些曲線就稱為等響曲線，如圖1-1 所示。同一條曲線上的每個頻率的聲音在感覺上都一樣響，它們的響度級就是這條曲線上1kHz處的聲壓級值。圖1-1 等響曲線聲音“響”的程度，叫響度，記為N ，單位是宋。它與正常聽力對聲音的主觀感受量成正比。規(guī)定響度級為40方時響度為1宋，由實驗得出響度級增加10方時響度增加一倍，如響度級LN 由40 方增加到50 方時，響度N 加倍，由1宋變?yōu)?宋，當(dāng)LN 由50方變到60 時，響度再加倍由2宋變?yōu)?宋。由此可得響度級LN與響度N 的關(guān)系為： (1-5) (1-6)(2) 計權(quán)聲級為了使用聲音的客觀物理量來表達人耳聽覺的主觀感受，可以在聲學(xué)測量儀器中加入模擬人聽覺特性的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，使所接收的聲音在人耳敏感的頻域加以增強，不敏感的頻域加以衰減。這樣可以從儀器上直接讀出反映人耳對噪聲感覺的數(shù)值，使主、客觀評價量趨于一致。這種通過計權(quán)網(wǎng)絡(luò)讀出的聲級叫做計權(quán)聲級。圖1-2為A、B、C、D等計權(quán)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)曲線。圖1-2 計權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)曲線A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模仿40方等響曲線設(shè)計的（倒置）。當(dāng)聲波通過A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)時，低頻聲(特別是500Hz以下)衰減較大，而對10005000Hz的聲音不衰減，甚至稍有放大；B計權(quán)是仿效70方等響曲線，反映人耳對中強度噪聲的響應(yīng)，低頻有衰減；C計權(quán)是100方等響曲線的倒置，反映高強度聲音下的主觀感覺，有近似平直的響應(yīng)；D計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是為測量飛機噪聲而設(shè)計的。實踐證明，無論噪聲高或低，A都能較好的反應(yīng)人耳對噪聲響度和吵鬧的感覺，因此，在噪聲測量儀器(例如聲級計)中普遍采用A計權(quán)。所測得的聲級就稱作A聲級，記作dB(A)。(3)等效連續(xù)聲級A計權(quán)聲級對于穩(wěn)定的寬頻帶噪聲是一種較好的評價方法，但對于一個聲級起伏不定或不連續(xù)的噪聲，A 計權(quán)聲級就顯得不合適了。例如交通噪聲，噪聲級是隨時間而變化的，有汽車通過時噪聲可能是8590dB(A)，沒有車輛時可能是5055dB(A)，這時就很難說這個地方的交通噪聲到底是多少分貝。對于這種非穩(wěn)態(tài)噪聲的評價最常用的方法就是采用聲能按時間平均的方法求得某一段時間內(nèi)隨時間起伏變化的各個A聲級的平均能量，并用一個在相同時間內(nèi)聲能與之相等的連續(xù)穩(wěn)定的A聲級來表示該段時間內(nèi)噪聲的大小，稱這一連續(xù)穩(wěn)定的A聲級為該不穩(wěn)定噪聲的等效連續(xù)聲級，記為 (1-7)式中為在t 時刻測量到的A 計權(quán)聲級。當(dāng)測量是等間隔采樣測量時，可表示為： (1-8)其中n為測量次數(shù)，為第i次測得的A 計權(quán)聲級。當(dāng)測量值位非連續(xù)離散值時,可表示為: (1-9)其中為第i段時間內(nèi)測得的A 計權(quán)聲級，為第i段測量時間。1.3 噪聲測量與分析方法噪聲現(xiàn)場測量大都采用統(tǒng)計聲級計（Sound Level Meter，簡稱SLM），它是一種按照一定的頻率計權(quán)和時間計權(quán)測量聲音聲壓級和聲級的儀器。聲級計的種類雖然很多，但基本結(jié)構(gòu)是相同的，一般由傳聲器、放大器、頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波器、時間計權(quán)單元和指示器等部分組成。聲級計一般設(shè)有線性計權(quán)及A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，可以測量噪聲總聲級和計權(quán)聲級。功能強的聲級計，除具有線性計權(quán)及A計權(quán)外，還具有B、C計權(quán)及頻率分析功能，可在現(xiàn)場進行頻率分析；有的聲級計還有“外接濾波器”插孔，可與其他濾波器連接，實現(xiàn)感興趣的頻帶測量； “放大器輸出”插孔，可輸出交流倍號，用來與其他儀器配合使用，例如與聲級記錄儀連用，進行測量的自動記錄，也可與示波器連用，觀察被測信號的波形等。 用聲級計測量噪聲時，要合理選擇測點，正確讀數(shù)和記錄以及考慮測量時環(huán)境條件的影響。 (1) 測點的選擇： 要根據(jù)噪聲測量的對象選擇不同的測點。如為了評價或檢驗機器設(shè)備噪聲，測點應(yīng)分布在機器近旁。對于已頒布的一些機器噪聲測量標(biāo)準，可按規(guī)范要求進行布點。一般機器設(shè)備可按下述情況選點：對于尺寸不大于30cm的小型機器，測點距機器表面30cm，周圍布置4個測點；尺寸大于30cm，但小于50cm的中型機器，測點距機器表面50cm，周圍布置4個測點；尺寸為0.51m的大型機器，測點距表面為1m，周圍布置6個或8個測點。測試結(jié)果以最大值(或算術(shù)平均值)表示，并在最大值測點進行頻譜分析。對于特大型或危險性設(shè)備，可取較遠的測點。測點高度以機器半高度為宜，但距地面不得小于0.5m。(2)時間計權(quán)的選擇： 聲級計一般都具有“快”、“慢”計權(quán)。在測量噪聲時一殷都使用“快”檔。因為“快”檔讀數(shù)近似人耳聽覺的生理特性。只有在“快”檔聲級起伏超過3dB時才用“慢”檔。對于離散的沖擊聲，用脈沖聲級計讀取脈沖或脈種保持值；對于間歇噪聲，用“快”檔讀取每次出現(xiàn)的最大值，以數(shù)次測量的平均值表示；對于無規(guī)則變動噪聲，可用“慢”檔每隅5s讀取一次瞬時值，計算連續(xù)其等效連續(xù)聲級。 (3)測量環(huán)境條件的影響：測量噪聲時，常受到環(huán)境和氣象因素的影響。測量時要注意傳聲器附近不能有反射物存在，傳聲器距反射物一殷應(yīng)不小于2m。測量時若有風(fēng)吹向傳聲器時，則將產(chǎn)生湍流，使傳聲器膜片上壓力漲落而產(chǎn)生噪聲，因此測量時應(yīng)在傳聲器上安裝防風(fēng)罩。本底噪聲的影響：如果被測噪聲的A聲級及各倍頻帶聲壓級均高出本底噪聲10dB，則本底噪聲不影響測量。如果被測噪聲與本底噪聲的差值小于10dB，則應(yīng)按表1.3進行修正。為了保證測量精度，應(yīng)盡量設(shè)法降低本底噪聲。表1.3 倍頻程A計權(quán)修正值總聲壓級與本底聲壓級之差dB109876543由總聲壓級扣除的修正量dB0.60.71.01.31.31.72.23實驗內(nèi)容及步驟1.用聲級計測量環(huán)境噪聲的A、C聲級、2.測量某一噪聲源