噪聲第三章噪聲源的測量

噪聲第三章噪聲源的測量第一頁，共七十二頁，2022年，8月28日

3.1聲壓的測量

3.2聲源的頻譜測量3.3聲強及聲功率測量3.4測量儀器本課內(nèi)容第二頁，共七十二頁，2022年，8月28日聲功率的測量原理（理解）聲級計的構(gòu)造功能原理（掌握）本課的重點難點第三頁，共七十二頁，2022年，8月28日概述為了評價和控制噪聲，必須對噪聲源進行測量聲壓、質(zhì)點振動速度、阻抗、聲強和聲功率；聲壓可以直接測量，是聲學(xué)測量中最基本和最主要方式，而他量一般通過聲壓計算得到；用聲功率表征噪聲源的特性更確切，目前已研究出直接測得聲強得到聲功率的方法（新方向）第四頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.1聲壓的測量聲波傳播時大氣中壓強隨著聲波作周期性的變化，聲擾動所產(chǎn)生的逾量壓強就叫做聲壓。

p=p’-p0第五頁，共七十二頁，2022年，8月28日聲能密度聲強聲功率

S—平面聲波波陣面的面積聲壓的測量是聲學(xué)測量的基礎(chǔ)。第六頁，共七十二頁，2022年，8月28日聲波的接收是聲壓測量的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。在空氣介質(zhì)中最常用的接收器為傳感器（麥克風(fēng)）。傳聲器是將聲波信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號的傳感器；其原理是由聲造成的空氣壓力推動傳聲器的振動膜振動，進而經(jīng)變換器將此機器振動變成電參數(shù)的變化。第七頁，共七十二頁，2022年，8月28日按照接收聲波方式的不同，傳聲器一般有四種：

壓強式

壓差式壓強與壓差復(fù)合式多聲道干涉式作用：將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號。精度較高，應(yīng)用最多。第八頁，共七十二頁，2022年，8月28日當(dāng)裝置置于某空間時：不存在聲場，腔內(nèi)外壓強相同，作用在膜片上的合力為0；如果有聲波入射，則振膜在腔外一側(cè)受到聲壓p的作用。振膜面積S，則合力為壓強式傳聲器第九頁，共七十二頁，2022年，8月28日在此力作用下，振膜產(chǎn)生振動，使雙壓電元件也產(chǎn)生變形，在壓電元件梁端面產(chǎn)生電荷。振動轉(zhuǎn)化成電信號輸出。測得這個輸出信號就可求出聲場中對應(yīng)的聲壓壓強式傳聲器第十頁，共七十二頁，2022年，8月28日

1)與聲波波長相比，傳聲器的尺寸應(yīng)當(dāng)很小，不會對聲場產(chǎn)生干擾；

2)在聲頻范圍內(nèi)具有具有良好的頻率響應(yīng)特性，即平坦的幅頻特性和零相移的相頻特性；

3)動態(tài)范圍寬。傳聲器應(yīng)在很寬的動態(tài)范圍內(nèi)具有恒定的聲壓－電壓轉(zhuǎn)換靈敏度；

4)性能穩(wěn)定；

5)高靈敏度和低的電噪聲。理想的測量傳聲器應(yīng)該滿足以下條件第十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日按換能方式分類，傳聲器分為：電動式（用于普通聲級計）壓電式（用于普通聲級計）電容式（常用于精密聲級計）傳聲器的分類第十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日（1）電容傳聲器精密測量中最常用的一種傳感器，其穩(wěn)定性、可靠性、振性，以及頻率特性均較好；電容式傳感器幅頻特性平直部分的頻率范圍約為10Hz~20kHz；具有理想傳聲器所要求的各種特性。第十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日（1）電容傳聲器無聲波時，腔內(nèi)外壓強相等；有聲波作用時，膜片受到聲壓P的作用，產(chǎn)生振動，使膜片與后板的距離發(fā)生變化，電容也隨之變化，這就產(chǎn)生了一個交變電壓信號，輸送到前置放大器中。電容傳聲器的結(jié)構(gòu)圖第十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日電容計算公式：式中k為靜電力常量，ε為介電常數(shù)，S為極板面積。當(dāng)極板間距d變化時，電容C隨之變化，電流I也會隨之變化。

電容傳聲器等效電路圖第十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日優(yōu)點：頻率范圍寬，頻率響應(yīng)平直，靈敏度變化小，穩(wěn)定性好，多用于精密聲級計中。缺點：內(nèi)阻高，需要配備響應(yīng)的放大器和衰減器，需要一定的電壓，膜片容易損壞。永電體式傳聲器（又稱駐極體式），工作原理與電容式傳聲器相似，其特點是尺寸小、價格便宜，可用于高濕度的測量環(huán)境，也可用于精密測量。電容傳聲器優(yōu)缺點第十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日（2)動圈式傳聲器這種傳聲器精度較低，靈敏度也較低，體積大，其突出特點是輸出阻抗小，所以接較長的電纜也不降低其靈敏度。磁鐵磁鐵阻尼罩殼體振膜線圈在聲壓的作用下，振膜和線圈移動并切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。同線圈移動速度成正比。第十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日(3)壓電式傳聲器壓電式傳聲器膜片較厚，其固有頻率較低，靈敏度較高，頻響曲線平坦，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，廣泛用于普通聲級計中。圖8.8壓電式傳聲器原理圖殼體絕緣材料輸出后板雙壓電晶體彎曲梁金屬膜片靜壓力平衡管膜片受到聲壓作用而變位時雙壓電元件產(chǎn)生變形，在壓電元件梁端面出現(xiàn)電荷第十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日噪聲是由多種頻率組成的為了解噪聲的特性，需要知道聲壓級與頻率之間的函數(shù)關(guān)系；將時間域中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率域中的數(shù)據(jù)（頻譜分析儀）；f(t)F(ω)3.2聲源的頻譜測量傅里葉變換第十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日連續(xù)的傅里葉變換發(fā)展成離散傅里葉變換（DFT）離散傅里葉變換定義：An：離散傅里葉變換的第n個系數(shù)；Xk：具有N次采樣時間順序的第k個采樣值；

n、k=0,1,~~~,N-1快速傅里葉變換（FFT）第二十頁，共七十二頁，2022年，8月28日離散傅里葉逆變換（IDFT）：離散傅里葉變換的一個重要性質(zhì)是采樣序列的離散傅里葉變換和采樣值所表示連續(xù)波形的傅里葉變化之間有直接對應(yīng)的關(guān)系；離散傅里葉變換是處理離散數(shù)字信號的一個方法；快速傅里葉變換是一種計算離散傅里葉變換的高效方法；快速傅里葉變換（FFT）第二十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日利用Wn=1的性質(zhì)，把計算離散傅里葉變換系數(shù)所需要進行的乘法運算次數(shù)從N2次壓縮到(N/2)logaN次，a為整數(shù)，一般取2；例如N=1024，N2=1048576，而(N/2)logaN=5120，運算次數(shù)減少到原來的1/205;采用FFT來計算離散傅里葉變換，推動了頻譜、相關(guān)函數(shù)、功率譜等技術(shù)的實際應(yīng)用?？焖俑道锶~變換的原理第二十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日在聲信號處理中，窗函數(shù)是一種在給定區(qū)間之外取值均為0的實函數(shù)。例如，在給定區(qū)間內(nèi)為常數(shù)而在區(qū)間外為0的窗函數(shù)被稱為矩形窗；目前普遍使用的窗函數(shù)多達數(shù)十種，如漢寧窗、平頂窗、矩形窗、力窗、指數(shù)窗等；窗函數(shù)第二十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日漢寧窗函數(shù)的定義為：ω(t)=漢寧窗用于隨即信號分析，以減少功率泄露；漢寧窗0.5(1-cos(2πt/T)),0<=t<=T0,t取其他值第二十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日平頂窗適合于正弦信號分析，以保證幅值精度；矩形窗主要用于瞬態(tài)信號分析；在頻率響應(yīng)函數(shù)測試中對脈沖力信號使用力窗，以提高信噪比；在頻率響應(yīng)函數(shù)測試中對脈沖響應(yīng)信號使用指數(shù)窗，以防止信號截斷現(xiàn)象，減少功率泄露，提高信噪比。ω(t)=漢寧窗用于隨即信號分析，以減少功率泄露；第二十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日頻譜分析儀的核心——濾波器；濾波器第二十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日帶寬為f2-f1。頻率f1和f2處輸出比中心頻率f0小3dB，稱之為下線和上線截止頻率。中心頻率f0與截止頻率f1，f2的關(guān)系為：第二十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日頻率分析儀通常分兩類：一類是恒定帶寬分析儀；用一固定濾波器，用外差法將信號頻率移到濾波器的中心頻率處，因此帶寬與信號頻率無關(guān)；另一類是恒定百分比帶寬分析儀；噪聲測量中使用，其濾波器的帶寬是中心頻率的一個恒定百分比值，故帶寬隨中心頻率的增大而增大；有倍頻程和1/3倍頻程頻率分析儀。第二十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日窗口傅里葉分析：對不同的頻率成分，在時間域上的取樣步長均相同；小波分析：對不同頻率成分在時間域上的取樣步長是具有調(diào)節(jié)性的，高頻者小，低頻者大；優(yōu)于傅里葉分析的一個顯著特點是小波分析在時間域和頻率域上同時具有良好的局部化性質(zhì)，被稱為“數(shù)字顯微鏡”。小波分析技術(shù)第二十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日相對于傅里葉分析，小波分析正在或已經(jīng)更為有效地應(yīng)用于瞬態(tài)噪聲信號分析、聲信號分離、聲信號特性提取、聲源鑒別等領(lǐng)域。。小波分析技術(shù)第三十頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.3聲強及聲功率的測量3.3.1聲強的測量

1.聲強：指在單位時間內(nèi)通過與指定方向垂直的單位面積的聲能量的平均值，它是一個矢量值，表示為：

I=W/S=pe·ue第三十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.聲強的測量原理一般采用兩個性能相同的聲壓傳聲器組成聲強計的傳感器，與加法器、減法器、積分器、乘法器等組成聲強計，直接進行聲強測量。第三十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.聲強的測量儀器采用雙傳聲器作為聲信號的接收單元；兩個傳聲器之間的距離r決定了測量的最高頻率

一般r取相應(yīng)最短波長的1/6~1/10;

最高頻率為10kHz，則r應(yīng)取3~5mm；組成：探頭部分——信號處理部分——校準(zhǔn)部分

第三十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日探頭部分——傳感器部分，從聲場中拾取聲壓或質(zhì)點振動速度信號。信號處理部分——負(fù)責(zé)對信號放大、濾波，然后根據(jù)測量原理計算并顯示結(jié)果。校準(zhǔn)部分——確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。第三十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日分類：

小型聲強計：只給出線性的或A計權(quán)的單值結(jié)果，技術(shù)是模擬似的；（測總的聲強級或A計權(quán)聲強級）

雙通道快速傅里葉分析儀：通過互功率譜計算聲強；（進行窄道分析，在設(shè)備和時間上沒有什么限制）

利用數(shù)字濾波技術(shù)：由兩個具有歸一化1/3倍頻程濾波器的雙路數(shù)字濾波器組獲得聲強的頻譜。

聲強測量技術(shù)：直接測量技術(shù)和間接測量技術(shù)；p-up-p第三十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日4.聲強測量的應(yīng)用鑒別聲源及其方位畫出聲源附近聲能量流動的路線研究材料吸聲系數(shù)隨入射角度的變化求聲源的聲功率第三十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.3.2聲功率的測量

聲功率：聲源在單位時間內(nèi)發(fā)出的總能量，與測點離聲源的距離以及外界條件無關(guān)。目前已有的為ISO頒發(fā)的測量噪聲源聲功率方法的標(biāo)準(zhǔn)以及我國參照ISO制定的測試標(biāo)準(zhǔn)。

第三十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日ISO測試標(biāo)準(zhǔn)按測量精度分為：精密級、工程級和簡易級。按測試環(huán)境分為：自由聲場、混響室法和戶外聲場法按聲源噪聲特性分為：穩(wěn)態(tài)、寬帶和窄帶噪聲。第三十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日我國頒布的測試標(biāo)準(zhǔn)按測量精度分為：精密級、工程級和簡易級。按測試方法分為：聲壓法、聲強法、和振速法。按測試環(huán)境分為：混響室、消聲室和半消聲室。第三十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日不同測量精度的特征參量精密法（1級）工程法（2級）簡易法（3級）測試環(huán)境半消聲室室內(nèi)或室外室內(nèi)或室外聲源體積小于測試室體積的5%無限制無限制對背景噪聲的限定△L≧10dB△L≧6dB△L≧3dB測量數(shù)目≧10≧9≧4第四十頁，共七十二頁，2022年，8月28日1.聲壓法聲壓法是指通過測量聲源的聲壓值，再換算成聲功率的方法。聲壓法可分為自由聲場法和混響室法兩類。第四十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日（1）自由聲場法產(chǎn)生自由聲場的環(huán)境可以是消聲室或半消聲室。利用自由聲場法可以測量無指向性聲源和指向性聲源的聲功率。第四十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日無指向性聲源輻射聲功率的測量

只需測量出聲場中某處的聲壓級即可。

若為精密測量，需注意：

1.在消聲室內(nèi)進行，吸聲系數(shù)大于0.992.傳聲器位置2-5倍于被測聲源尺寸

3.傳聲器離墻面的距離不小于被測信號波長的1/4第四十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日指向性聲源聲功率的測量

假想將球面分成與測量點數(shù)目相同的測量球。若每個測量球（半球）的面積相等，則：

若每個測量球（半球）的面積不相等，則：

第四十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日則自由聲場的聲功率級為：

S1=4∏r2

半自由聲場中的聲功率級為：

S1=2∏r2

第四十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日測量點的布置固定傳聲器位置：平行平面內(nèi)同軸的圓形路徑子午線移動螺旋線路徑其他傳聲器排列

第四十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日測量點的布置固定傳聲器位置：

球面（半球面）測試一般采用20個固定點進行測量，在測量中測得的最高和最低聲壓級之差，在數(shù)值上小于測量點數(shù)的一半，則測量點數(shù)是足夠的。第四十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日測量點的布置平行平面內(nèi)同軸的圓形路徑：

單個傳聲器沿圓形路徑連續(xù)移動，聲壓級做時間和空間的平均。如為半自由聲場，最少選5個路徑；如為自由聲場，路徑依次增加。第四十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日測量點的布置子午線移動：

用單個傳聲器圍繞通過聲源中心的水平軸做半圓形弧線移動，傳聲器移動線至少要8條，每條圍繞聲源的方位角有相等的增量。第四十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日測量點的布置螺旋線路徑移動：

單個傳聲器按子午線路徑移動的同時，還緩慢經(jīng)過至少5個整圓周路徑，形成圍繞測量表面垂直軸的螺旋線路徑。第五十頁，共七十二頁，2022年，8月28日（2）混響室法混響室內(nèi)有直達聲場和反射聲場共同作用。

aS-室內(nèi)總吸聲量，考慮空氣吸收對高頻聲的影響，則：m-空氣吸收衰減系數(shù)；V-混響室體積第五十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日2.聲強法原理：W=I·S，只要測量出聲強的平均值即可測算出聲源的聲功率。測量方法：（1）定點式測量方法（2）掃描式測量方法第五十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日優(yōu)點：（1）不需要使用消聲室或混響室等聲學(xué)設(shè)施；（2）在多個聲源輻射疊加的聲場中能區(qū)分不同聲源的輻射功率；第五十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.標(biāo)準(zhǔn)聲源法原理：已知標(biāo)準(zhǔn)聲源的聲功率為Lws，使標(biāo)準(zhǔn)聲源和待測聲源在相同條件和同樣測點產(chǎn)生的聲壓級分別為Lps和Lpx，則聲源的聲功率級為：

Lwx=Lws-Lps+Lpx

第五十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日方法：（1）置換法——把待測聲源移開，用標(biāo)準(zhǔn)聲源代替待測聲源進行測量；（2）并擺法——若待測聲源不便移動，把標(biāo)準(zhǔn)聲源放在對稱的位置進行測量；（3）比較法——把標(biāo)準(zhǔn)聲源放在測試空間另一點，周圍反射環(huán)境和待測聲源相似；第五十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日4.振速法原理：通過測量聲源的振速來測量聲功率適用對象：（1）背景噪聲高于機器輻射噪聲；（2）需要將結(jié)構(gòu)噪聲與空氣動力噪聲分開；（3）需要確定聲源結(jié)構(gòu)噪聲的來源；

第五十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日

3.4測量儀器

最常用的噪聲測量儀器是聲級計。第五十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日

一、聲級計

1.分類精密型普通型0級——實驗室儀器（）Ⅰ級——聲學(xué)研究（）Ⅱ級——現(xiàn)場測量（）Ⅲ級——監(jiān)測普查（）第五十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日

2.結(jié)構(gòu)及組成噪聲測量儀器一般由三部分組成，即：接收設(shè)備、中間設(shè)備、讀出設(shè)備接收設(shè)備讀出設(shè)備測試結(jié)果讀出設(shè)備中間設(shè)備第五十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日聲級計結(jié)構(gòu)：傳聲器放大器衰減器計權(quán)網(wǎng)絡(luò)檢波器濾波器指示器附件等

待測信號

接受設(shè)備

中間設(shè)備

測試結(jié)果

讀出設(shè)備

第六十頁，共七十二頁，2022年，8月28日3.聲級計各部分工作原理

（1）傳聲器

俗稱麥克風(fēng)，是一種將聲壓轉(zhuǎn)換成電壓的聲電換能器，是聲級計的接受部分，應(yīng)用最多的是電容傳聲器。

第六十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日（2）放大器

一般采用兩級放大器，即輸入放大器和輸出放大器，其作用是將微弱的電信號放大。

聲級計內(nèi)的放大器，要求具有較高的入阻抗和較低的輸出阻抗，并具有較小的線性失真，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

第六十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日（3）衰減器其功能是將接受到的強信號予以衰減，以便使表頭指針指在適當(dāng)?shù)奈恢?，一般分為輸入衰減器和輸出衰減器。輸入放大器使用的哀減器調(diào)節(jié)范圍為測量低端，輸出放大器使用的衰減器調(diào)節(jié)范圍為測量高端。第六十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日（4）濾波器讓一部分頻率成分通過，其它頻率成分衰減掉的儀器根據(jù)所使用的計權(quán)網(wǎng)不同，分別稱為A聲級dB(A)、B聲級dB(B)和C聲級dB(C)。A計權(quán)聲級是模擬人耳對55dB以下低強度噪聲的頻率特性，B計權(quán)聲級是模擬55dB到85dB的中等強度噪聲的頻率特性，C計權(quán)聲級是模擬高強度噪聲的頻率特性。三者的主要差別是對噪聲低頻成分的衰減程度，A衰減最多，B次之，C最少。第六十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日（4）濾波器

濾波器一般分為兩種，即恒定帶寬和恒定百分比帶寬。恒定帶寬是用固定濾波器將信號頻率移到濾波器的中心頻率。恒定百分比帶寬的帶寬是中心頻率的一個恒定百分值，帶寬隨中心頻率的增加而增大，即高頻時帶寬比低頻時寬，故應(yīng)用更加廣泛。第六十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日（5）檢波器和指示器

檢波器作用是把迅速變化的電壓信號轉(zhuǎn)變成變化較慢的直流電壓信號。根據(jù)測量的需要，檢波器有峰值檢波器、平均值檢波器和均方根值檢波器之分。峰值檢波器能給出一定時間間