聲學(xué)測量分析技術(shù)方案

1、聲學(xué)測試分析技術(shù)方案一、 聲壓聲波傳播過程中，空氣質(zhì)點(diǎn)也隨之振動(dòng)，產(chǎn)生壓力波動(dòng)。一般把沒有聲波存在時(shí)媒質(zhì)的壓力稱為靜壓力，用表示。有聲波存在時(shí)，空氣壓力就在大氣壓附近起伏變化，出現(xiàn)壓強(qiáng)增量，這個(gè)壓強(qiáng)增量就是聲壓，用表示。聲壓的單位就是壓強(qiáng)的單位，在SI單位制中，面積S的單位是，力F的單位是牛（頓），其聲壓的單位是，記為，或稱為帕（斯卡），記為Pa，其輔助單位為微巴，記為（，）。換算關(guān)系為： （13）與大氣壓相比，聲壓是相當(dāng)小的。在1000赫時(shí)的可聽聲壓范圍大約在0.0002200微巴之間。聲壓隨時(shí)間起伏變化，每秒鐘內(nèi)變化的次數(shù)很大，傳到人耳時(shí)，由于耳膜的慣性作用，辨別不出聲壓的起伏，即不是聲壓

2、的最大值起作用，而是一個(gè)穩(wěn)定的有效聲壓起作用。有效聲壓是一段時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)聲壓的均方根值，這段時(shí)間應(yīng)是周期的整數(shù)倍。有效聲壓用數(shù)學(xué)表示為 （14）式中 周期； 瞬時(shí)聲壓； 時(shí)間。對(duì)于正弦聲波，為聲壓幅值，即最大聲壓。在實(shí)際使用中，若不另加說明，聲壓就是有效聲壓的簡稱。二、 聲壓級(jí)一個(gè)聲音的聲壓級(jí)是這個(gè)聲音的聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的以10為底的對(duì)數(shù)的20倍，即 (1-11)式中 -聲壓級(jí)，分貝； -聲壓，帕； -基準(zhǔn)聲壓，取=20微帕。有了聲壓級(jí)的概念，就可把由聲壓值表示的數(shù)百萬倍變化，改變?yōu)?120分貝的變化范圍。三、 聲學(xué)頻譜聲頻范圍很廣，從低頻到高頻變化高達(dá)1000倍，一般不可能，也沒有必要對(duì)每個(gè)

3、頻率逐一測量，為方便和實(shí)用上的需要，通常把聲頻的變化范圍劃分為若干個(gè)較小的段落，稱為頻程，或頻段、頻帶，一般它是兩個(gè)聲或其信號(hào)頻率間的距離。頻程有上限截止頻率值、下限截止頻率值、中心頻率值和上下限截止頻率之差。上、下限截止頻率之差即是中間區(qū)域，稱為頻帶寬度，簡稱帶寬。一般頻程以高頻與低頻的頻率比的對(duì)數(shù)來表示，此對(duì)數(shù)通常以2為底，其單位稱倍頻程。即 或 (1-15)式中 、-成倍頻程關(guān)系的低頻和高頻頻率，即下、上限截止頻率； -兩個(gè)頻率相比的倍數(shù)。 可以是任意正實(shí)數(shù)，越小，分的越細(xì)，頻程越短，測量所需時(shí)間就越多，當(dāng)=1時(shí)，即兩個(gè)頻率相距1倍時(shí)，稱倍頻程，簡稱倍頻程；當(dāng)時(shí)，稱倍頻程，依此類推。在倍

4、頻程中，頻程間的中心頻率之比都是2：1，其中心頻率是上、下限的幾何平均值，即 四、 計(jì)權(quán)聲級(jí)聲波的性質(zhì)主要由聲強(qiáng)大小、頻率高低和波形特點(diǎn)決定。人們的聽覺也是由于對(duì)聲音強(qiáng)、弱、調(diào)子高低和音色產(chǎn)生微妙的差異才能分辨出各種不同的聲音。所以確定物理量數(shù)值與主觀感覺的關(guān)系是必要的。設(shè)置計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)人耳敏感的頻率加以強(qiáng)調(diào)，對(duì)人耳不敏感的頻率加以衰減，就可以直接讀出反映人耳對(duì)噪聲感覺的數(shù)值，使主客觀量趨于統(tǒng)一。常用的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)A、B、C三種。目前還出現(xiàn)、E和SI幾種計(jì)權(quán)，一般采用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是效仿倍頻程等響曲線中的40方曲線的反曲線而設(shè)計(jì)的。它較好地模仿了人耳對(duì)低頻（500赫以下）不敏感，對(duì)10

5、005000赫聲敏感的特點(diǎn)。用A計(jì)權(quán)測量的聲級(jí)來代表噪聲的大小，稱為A聲級(jí)，記為分貝（A），或dBA。五、 信號(hào)處理過程的加窗與平均l 常用窗函數(shù) 在對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域處理時(shí)，先要對(duì)數(shù)據(jù)加窗選取，以減小譜的泄露。常用的幾種窗函數(shù)如下： （l）矩形窗 矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗，函數(shù)形式為 （1-28）相應(yīng)的窗譜為： （1-29） 矩形窗使用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號(hào)通過了矩形窗這種窗的優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，缺點(diǎn)是旁瓣較高。 （）漢寧（Hanning）窗 漢寧窗又稱升余弦窗，其時(shí)域表達(dá)式為： （1-30） 相應(yīng)的窗譜為： （1-31） 漢寧窗可以看作是3個(gè)矩形時(shí)間窗的頻譜之和，或者說是 3個(gè) si

6、ne（t）型函數(shù)之和，而括號(hào)中的兩項(xiàng)相對(duì)于第一個(gè)譜窗向左、右各移動(dòng)了 T，從而使旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能。 （）海明（Hamming）窗     海明窗也是余弦窗的一種，又稱改進(jìn)的升余弦窗，其時(shí)間函數(shù)表達(dá)式為： （1-32）其窗譜為： （1-33）海明窗與漢寧窗都是余弦窗，只是加權(quán)系數(shù)不同。海明窗加權(quán)的系數(shù)能使旁瓣達(dá)到更小。分析表明，海明窗的第一旁瓣衰減為一42dB海明窗的頻譜也是由3個(gè)矩形時(shí)窗的頻譜合成，但其旁瓣衰減速度為20dB（10oct），這比漢寧窗衰減速度慢。海明窗與漢寧窗都是很有用的窗函數(shù) 除了以上幾種常用窗函數(shù)以外，尚有多種窗函數(shù)，如平頂窗、

7、帕仁（Parzen）窗、布拉克曼（Blackman）窗、凱塞（kaiser）窗等。  窗函數(shù)的選擇應(yīng)考慮被分析信號(hào)的性質(zhì)與處理要求如果僅要求精確讀出主瓣頻率，而不考慮幅值精度，則可選用主瓣寬度比較窄而便于分辨的矩形窗；如果分析窄帶信號(hào)，且有較強(qiáng)的干擾噪聲，則應(yīng)選用旁瓣幅度小的窗函數(shù)，如漢寧窗、三角窗等；對(duì)于隨時(shí)間按指數(shù)衰減的函數(shù)，可采用指數(shù)窗來提高信噪比l 平均方式數(shù)字信號(hào)處理中，根據(jù)研究目的和被分析信號(hào)的特點(diǎn)，常使用以下幾種平均方式進(jìn)行處理。（1）線性平均線性平均: YN= (1/N)*Xi i=1N （1-34）全部輸入數(shù)據(jù)的影響都是1/N. 線性平均要把全部輸入數(shù)據(jù)儲(chǔ)存后再計(jì)算

8、，可改為遞推線性平均 遞推線性平均: Y2= Y1,2 =(1/2)*( X1+ X2) 計(jì)算后X1, X2可刪除 Y3= Y1,2,3 =(X1+ X2+ X3)=(2/3)* Y2+(1/3)X3 計(jì)算后Y2可刪除 Yn= (n-1)/n)*Yn-1+(1/n)* Xn n=1N（2）指數(shù)平均一階微分方程 Tc （dy(t)/dt）+ y(t) = x(t) Tc-時(shí)間常數(shù) （1-35）以采樣間隔t離散成一階差分方程，dtt , y(t)y(n)-yn, x(t)x(n)-xn, dyyn- yn-1Yn=(N-1)/N)*Yn-1+(1/N)*Xn （1-36）因Tc>t,可令Tc

9、/t=N,Yn=(N-1)/N)*Yn-1+(1/N)*Xn （1-37）例:N=4, Xn= X1 X2 X3 X4 X5 Y1=(1/4)* X1 Y2=(3/4)* Y1 +(1/4)*X2=(3/4)*(1/4) *X1 +(1/4)*X2 Y3=(3/4)* Y2 +(1/4)*X3=(3/4)*(3/4)*(1/4) X1 +(3/4)*(1/4)*X2 +(1/4)*X3Y4=(3/4)*Y3+(1/4)*X4=(3/4)*(3/4)*(3/4)*(1/4)*X1+(3/4)*(3/4)*(1/4)*X2 +(3/4)*(1/4)*X3+(1/4)*X4 可見以往輸入數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)在輸

10、出的影響按(N-1)/N)m逐漸減小(遺忘)。 （3）最大值保持保持聲壓最大的一次結(jié)果，作為最終的分析結(jié)果。六、 測試基本原理及流程 傳聲器（專用的聲學(xué)傳感器）將瞬時(shí)聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，聲級(jí)計(jì)將此電壓信號(hào)放大（或衰減）、加權(quán)（A、B或C，也可不加權(quán)）、倍頻程濾波（附加）、均方根檢波和對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，最后給出噪聲的聲壓級(jí)、計(jì)權(quán)聲級(jí)或倍頻程聲壓級(jí)；還可以輸出與成比例的電壓信號(hào)供監(jiān)測、存儲(chǔ)和頻譜等分析之用。聲學(xué)測量倍頻程分析方法流程圖七、 試驗(yàn)所需儀器設(shè)備：6、1 動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)型動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)，應(yīng)用范圍非常廣泛，一套系統(tǒng)，就可完成應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)（加速度、速度、位移

11、）、沖擊、聲學(xué)、溫度（各種類型熱電偶、鉑電阻）、壓力、流量、力、扭矩、電壓、電流等各種物理量的測試和分析輸入阻抗10M40PF輸入保護(hù)當(dāng)滿度值不大于10V時(shí)，輸入信號(hào)大于±15V(直流或交流峰值)時(shí)，輸入全保護(hù)；當(dāng)滿度值為20V時(shí)，輸入信號(hào)大于±30V(直流或交流峰值)時(shí),輸入全保護(hù)輸入方式GND、DC(單端、差分)、AC、ICP工作方式數(shù)據(jù)采集器單端輸入、差動(dòng)輸入、ICP適調(diào)輸入外接適調(diào)器(選件)ICP適調(diào)器(帶雙積分硬件網(wǎng)絡(luò))、應(yīng)變適調(diào)器、電荷適調(diào)器、電荷適調(diào)器(帶雙積分硬件網(wǎng)絡(luò))、420mA適調(diào)器、雙恒流源應(yīng)變適調(diào)器滿度值±100mV、±200mV

12、、±500mV、±1V、±2V、±5V、±10V、±20V最大分析頻寬DC100kHz低通濾波器截止頻率(-3dB±1dB)10、30、100 、300、1k、3k、10k 、PASS(Hz)八檔分檔切換平坦度小于0.1dB(2/3截止頻率內(nèi))阻帶衰減大于24dB/oct信號(hào)狀態(tài)指示過載指示輸入大于滿度值，指示燈為紅色，表示過載50mV指示輸入小于滿度的0.5%,指示燈為綠色，表示欠載模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率24位-A/D轉(zhuǎn)換器；最大通道數(shù)每臺(tái)儀器可有16通道或32通道，每臺(tái)計(jì)算機(jī)可控制無限多通道通訊接口100Mbps以太網(wǎng)接口連續(xù)

13、采樣速率(存貯深度由計(jì)算機(jī)剩余硬盤空間容量決定)整數(shù)采樣速率所有通道(無限多)同時(shí)工作時(shí)，每通道10、20、50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、100k 、200k(Hz)分檔切換整數(shù)分析頻率所有通道(無限多)同時(shí)工作時(shí)，每通道5、10、20、50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、100k (Hz)分檔切換；抗混濾波器濾波方式 每通道獨(dú)立的模擬濾波+實(shí)時(shí)數(shù)字濾波組合抗混濾波器；截止頻率采樣速率的1/2.56倍，設(shè)置采樣速率時(shí)同時(shí)同步設(shè)定阻帶衰減約120dB/oct平坦度（分析頻率范圍內(nèi)）小于0.1dB儀器工作電源交流電源22

14、0V，50Hz直流電源1018V使用環(huán)境適用于GB6587.1-86-組條件外形尺寸236mm（寬）×133mm（高）×317mm（深）(十六通道)；482mm（寬）×133mm（高）×317mm（深）(三十二通道)。6、2 聲學(xué)測量傳感器系統(tǒng)聲傳感器是把外界聲場中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。它在通訊、噪聲控制、環(huán)境檢測、音質(zhì)評(píng)價(jià)、文化娛樂、超聲檢測、水下探測和生物醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用。自由聲場定義：均勻的各向同性的非流動(dòng)媒質(zhì)中，邊界影響可以不計(jì)的聲場。能感受聲壓并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器稱為聲壓傳感器。它有以下的幾種實(shí)現(xiàn)形式：電阻變換式、壓電式和電容式。 壓電式聲壓傳感器利用壓電晶體的壓電效應(yīng)制成的，壓電晶體的一個(gè)極面和膜片相連接，當(dāng)聲壓作用在膜片上使其振動(dòng)時(shí)，膜片帶動(dòng)壓動(dòng)晶體產(chǎn)生振動(dòng)，壓電晶體在機(jī)械應(yīng)力的作用下產(chǎn)生隨聲壓大小變化而變化的電壓，從而完成聲電的轉(zhuǎn)換。理想的測量傳聲器應(yīng)該滿足