第三章噪聲測(cè)量

第三章噪聲源的測(cè)量本章主要內(nèi)容3.1基本聲學(xué)量-聲壓的測(cè)量3.2聲源的頻譜測(cè)量3.3聲強(qiáng)及聲功率測(cè)量3.4測(cè)量?jī)x器3.1基本聲學(xué)量-聲壓的測(cè)量(1)聲壓的測(cè)量是聲學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)。在聲壓測(cè)量中，聲波的接收是聲學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)和首要環(huán)節(jié).(2)空氣介質(zhì)中最常用的接收聲波的傳感器為傳聲器。

其原理是由聲造成的空氣壓力推動(dòng)傳聲器的振動(dòng)膜振動(dòng)，進(jìn)而經(jīng)變換器將此機(jī)器振動(dòng)變成電參數(shù)的變化。(3)四種接收聲波的方式：壓強(qiáng)式、壓差式、壓強(qiáng)與壓差復(fù)合式、多聲道干涉式。聲能量聲強(qiáng)聲功率

s—平面聲波波陣面的面積聲壓的測(cè)量是聲學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)。3.1基本聲學(xué)量-聲壓的測(cè)量聲波的接收是聲壓測(cè)量的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。儀器：傳聲器（麥克風(fēng)），按聲學(xué)原理一般分為四種：壓強(qiáng)式壓強(qiáng)式傳聲器只激勵(lì)傳聲器振膜的一側(cè)，主要是無(wú)指向性傳聲器。壓差式壓差式傳聲器只激勵(lì)傳聲器振膜的兩側(cè)，也就是振膜運(yùn)動(dòng)受兩側(cè)聲壓的控制，這類話筒總是帶有特定的指向性壓強(qiáng)與壓差復(fù)合式多聲道干涉式作用：將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其原理是由聲造成的空氣壓力推動(dòng)傳聲器的振動(dòng)膜振動(dòng)，進(jìn)而經(jīng)變換器將此機(jī)器振動(dòng)變成電參數(shù)的變化。精度較高，應(yīng)用最多。傳聲器還可分為按能源分：有源傳聲器、無(wú)源傳聲器按換能原理：電動(dòng)傳聲器、電容傳聲器、壓電式傳聲器、半導(dǎo)體式傳聲器等按用途及使用方法：音樂(lè)用傳聲器、歌唱用傳聲器、有線傳聲器、無(wú)線傳聲器、落地式傳聲器、手持式傳聲器單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)2/3/20236殼體上開有毛細(xì)孔，用來(lái)平衡振膜兩側(cè)的靜壓力，以防止振膜破裂。振膜厚度在0.0025~0.05mm之間，它在聲壓的作用下發(fā)生變形位移，起著可變電容器動(dòng)片的作用可變電容器的定片是背級(jí),其上的阻尼孔抑制振膜的共振振幅電容式傳感器etRet毛吸孔內(nèi)腔背級(jí)振膜阻尼孔絕緣體然而動(dòng)態(tài)的應(yīng)力變化（聲壓）很難通過(guò)毛細(xì)孔而作用于內(nèi)腔，從而保證僅有振膜的外側(cè)受到聲壓的作用。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)2/3/20237動(dòng)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(diǎn)是輸出阻抗小，所以接較長(zhǎng)的電纜也不降低其靈敏度。動(dòng)圈式傳聲器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(dòng)并切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。同線圈移動(dòng)速度成正比。單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)2/3/20238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(jiǎn)單，價(jià)格便宜，廣泛用于普通聲級(jí)計(jì)中。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(shí)雙壓電元件產(chǎn)生變形，在壓電元件梁端面出現(xiàn)電荷噪聲測(cè)量?jī)x器(5/9)壓強(qiáng)式傳聲器無(wú)聲場(chǎng)時(shí)：I內(nèi)=I外，F(xiàn)=0有聲波入射時(shí)，F(xiàn)=ps，在此力的作用下，通過(guò)力電換能器，振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，因此，測(cè)得這個(gè)輸出信號(hào)就可以求出聲場(chǎng)中對(duì)應(yīng)的聲壓。作用到傳聲器上的合力與聲波入射方向有關(guān)，傳聲器具有指向性，但利用壓強(qiáng)原理制成的傳聲器在低頻率是無(wú)指向性。理想的聲學(xué)測(cè)量用的傳聲器特性：自由聲聲電壓靈敏度高、頻響特性寬、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小，不隨溫度、壓力、濕度等環(huán)境條件而變化。DF背極C0壓強(qiáng)式傳聲器的結(jié)構(gòu)電容傳聲器精密測(cè)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。無(wú)聲波時(shí)，腔內(nèi)外壓強(qiáng)相等；有聲波作用時(shí)，膜片受到聲壓P的作用，產(chǎn)生振動(dòng)，使膜片與后板的距離發(fā)生變化。電容傳聲器的結(jié)構(gòu)圖電容計(jì)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(shí)，電容C隨之變化，電流I也會(huì)隨之變化。

電容傳聲器等效電路圖優(yōu)點(diǎn)：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(jí)計(jì)中。缺點(diǎn)：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。

3.2聲源的頻譜測(cè)量頻譜測(cè)量：為了更好地了解噪聲的特性，需要知道聲壓級(jí)與頻率之間的函數(shù)關(guān)系，即需要將通常的時(shí)間域中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率域中的數(shù)據(jù)，能完成這種轉(zhuǎn)變的設(shè)備就是頻率分析儀或頻譜分析儀。包括：快速傅里葉變換窗函數(shù)濾波器小波分析技術(shù)

（1）在模擬信號(hào)分析中，帶通濾波器是必不可少的儀器。它的作用是只讓濾波器所確定的頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而阻止其他分量的信號(hào)通過(guò)。即在通帶內(nèi)沒有衰減，在通帶外沒有輸出。（2）測(cè)取噪聲信號(hào)頻譜的傳統(tǒng)方法是模擬分析法，這種方法是使待測(cè)信號(hào)通過(guò)若干個(gè)不同中心頻率的模擬濾波器、或中心頻率可在一段頻率上移動(dòng)的可調(diào)濾波器，這種濾波器通常是帶通濾波器，即只允許在規(guī)定頻帶內(nèi)的信號(hào)分量通過(guò)的濾波器。在濾波器的輸出端測(cè)定所傳輸?shù)男盘?hào)功率并用記錄器記錄下來(lái)，制成相應(yīng)的圖表，就完成了模擬分析。記錄器可以是電平表、示波器或?qū)Ｓ糜涗泝x。根據(jù)所使用帶通濾波器特性的不同，具體的模擬頻率分析方法又分為兩大類：即恒定帶寬（又稱絕對(duì)帶寬）分析法與恒比例帶寬（又稱恒百分帶寬）分析法，它們使用不同特性的濾波器。

恒定帶寬分析法恒定帶寬濾波器的特性是這樣的：當(dāng)濾波器中心頻率改變時(shí)，濾波器的通帶寬度保持不變，即不論接受信號(hào)的頻率是多少，可通過(guò)的信號(hào)頻帶寬度都是一樣的。在線性的頻率刻度上，恒帶寬給出的分辨率是均勻的，這種方法有利于對(duì)諧波的檢測(cè)。它通常是窄帶的，適宜于對(duì)穩(wěn)定的線狀譜進(jìn)行分析，能有效的抑制不需要的聲，把所需的純音或諧波從噪聲中提取出來(lái)。但倘若被分析信號(hào)的純音或諧波頻率不穩(wěn)定，那么測(cè)試就會(huì)引入較大的誤差。在恒帶寬頻率分析中，最常用的是譜級(jí)。它是以指定頻率為中心、寬度為1Hz的聲壓級(jí)，這種概念主要用來(lái)比較不同頻帶分析時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)。恒比例帶寬分析法恒比例帶寬濾波器的中心頻率改變時(shí)，通帶寬度將會(huì)變化，但通帶寬度與中心頻率的比值保持不變。恒比例帶寬濾波器是被用得最多的濾波器。由于它的通帶內(nèi)放大倍數(shù)幾乎不變，所以適用于噪聲譜的分析，也可以用于分析純音或諧波。但由于它的帶寬在高頻時(shí)較寬，在一個(gè)通帶內(nèi)，往往會(huì)包含二個(gè)以上的諧波，進(jìn)行諧波分析時(shí)就會(huì)引起測(cè)試誤差，因此不宜用它做精密的諧波分析。3.3聲強(qiáng)及聲功率的測(cè)量

3.3.1聲強(qiáng)的測(cè)量

1.聲強(qiáng)：指在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與指定方向垂直的單位面積的聲能量的平均值，它是一個(gè)矢量值，表示為：I=p·u2.聲強(qiáng)的測(cè)量原理一般采用兩個(gè)性能相同的聲壓傳聲器組成聲強(qiáng)計(jì)的傳感器，與加法器、減法器、積分器、乘法器等組成聲強(qiáng)計(jì)，直接進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)量。3.聲強(qiáng)的測(cè)量?jī)x器組成：探頭部分——信號(hào)處理部分——校準(zhǔn)部分

與聲級(jí)計(jì)組成相比較的不同與相同點(diǎn)。探頭部分——傳感器部分，從聲場(chǎng)中拾取聲壓或質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度信號(hào)。信號(hào)處理部分——負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)放大、濾波，然后根據(jù)測(cè)量原理計(jì)算并顯示結(jié)果。校準(zhǔn)部分——確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。分類：小型聲強(qiáng)計(jì)：雙通道快速傅里葉分析儀：雙路數(shù)字濾波器：：4.聲強(qiáng)測(cè)量的應(yīng)用鑒別聲源及其方位畫出聲源附近聲能量流動(dòng)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3.3.2聲功率的測(cè)量

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

ISO測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按測(cè)量精度分為：精密級(jí)、工程級(jí)和簡(jiǎn)易級(jí)。按測(cè)試環(huán)境分為：混響室、消聲室和半消聲室。按聲源噪聲特性分為：穩(wěn)態(tài)、寬帶和窄帶噪聲。我國(guó)頒布的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按測(cè)量精度分為：精密級(jí)、工程級(jí)和簡(jiǎn)易級(jí)。按測(cè)試方法分為：聲壓法、聲強(qiáng)法、標(biāo)準(zhǔn)聲源法和振速法。按測(cè)試環(huán)境分為：混響室、消聲室和半消聲室。不同測(cè)量精度的特征參量精密法（1級(jí)）工程法（2級(jí)）簡(jiǎn)易法（3級(jí)）測(cè)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(cè)試室體積的5%無(wú)限制無(wú)限制對(duì)背景噪聲的限定△L≧10dB△L≧6dB△L≧3dB測(cè)量數(shù)目≧10≧9≧41.聲壓法聲壓法是指通過(guò)測(cè)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(chǎng)法和混響室法兩類。（1）自由聲場(chǎng)法產(chǎn)生自由聲場(chǎng)的環(huán)境可以是消聲室或半消聲室。利用自由聲場(chǎng)法可以測(cè)量無(wú)指向性聲源和指向性聲源的聲功率。無(wú)指向性聲源輻射聲功率的測(cè)量

只需測(cè)量出聲場(chǎng)中某處的聲壓級(jí)即可。

若為精密測(cè)量，需注意：

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

3.傳聲器離墻面的距離不小于被測(cè)信號(hào)波長(zhǎng)的1/4指向性聲源聲功率的測(cè)量

假想將球面分成與測(cè)量點(diǎn)數(shù)目相同的測(cè)量球。

若每個(gè)測(cè)量球（半球）的面積相等，則：若每個(gè)測(cè)量球（半球）的面積不相等，則：

注意：聲壓級(jí)之間的最大變化不得超過(guò)6dB，球的半徑使用測(cè)量點(diǎn)位于遠(yuǎn)場(chǎng)。則自由聲場(chǎng)的聲功率級(jí)為：

S1=4∏r2

半自由聲場(chǎng)中的聲功率級(jí)為：

S1=2∏r2

測(cè)量點(diǎn)的布置固定傳聲器位置：

球面（半球面）測(cè)試一般采用20個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量中測(cè)得的最高和最低聲壓級(jí)之差，在數(shù)值上小于測(cè)量點(diǎn)數(shù)的一半，則測(cè)量點(diǎn)數(shù)足夠。測(cè)量點(diǎn)的布置平行平面內(nèi)同軸的圓形路徑：

單個(gè)傳聲器沿圓形路徑連續(xù)移動(dòng)，聲壓級(jí)做時(shí)間和空間的平均。如為半自由聲場(chǎng)，最少選5個(gè)路徑；如為自由聲場(chǎng)，路徑依次增加。測(cè)量點(diǎn)的布置子午線移動(dòng)：

用單個(gè)傳聲器圍繞通過(guò)聲源中心的水平軸做半圓形弧線移動(dòng)，傳聲器移動(dòng)線至少要8條，每條圍繞聲源的方位角有相等的增量。測(cè)量點(diǎn)的布置螺旋線路徑移動(dòng)：

單個(gè)傳聲器按子午線路徑移動(dòng)的同時(shí)，還緩慢經(jīng)過(guò)至少5個(gè)整圓周路徑，形成圍繞測(cè)量表面垂直軸的螺旋線路徑。（2）混響室法混響室內(nèi)有直達(dá)聲場(chǎng)和反射聲場(chǎng)共同作用。

R-房間常數(shù)，R=Sa/(1-a)

在混響室內(nèi)，只要離開聲源一定的距離，混響聲遠(yuǎn)大于直達(dá)聲，則：為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常取幾個(gè)點(diǎn)測(cè)得聲壓級(jí)的平均值，則聲功率級(jí)為：2.聲強(qiáng)法原理：W=I·S，只要測(cè)量出聲強(qiáng)的平均值即可測(cè)算出聲源的聲功率。測(cè)量方法：（1）定點(diǎn)式測(cè)量方法（2）掃描式測(cè)量方法優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要使用消聲室或混響室等聲學(xué)設(shè)施；（2）在多個(gè)聲源輻射疊加的聲場(chǎng)中能區(qū)分不同聲源的輻射功率；3.標(biāo)準(zhǔn)聲源法原理：已知標(biāo)準(zhǔn)聲源的聲功率為L(zhǎng)ws，使標(biāo)準(zhǔn)聲源和待測(cè)聲源在相同條件和同樣測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓級(jí)分別為L(zhǎng)ps和Lpx，則聲源的聲功率級(jí)為：

Lwx=Lws-Lps+Lpx

方法：（1）置換法——把待測(cè)聲源移開，用標(biāo)準(zhǔn)聲源代替待測(cè)聲源進(jìn)行測(cè)量；（2）并擺法——若待測(cè)聲源不便移動(dòng)，把標(biāo)準(zhǔn)聲源放在對(duì)稱的位置進(jìn)行測(cè)量；（3）比較法——把標(biāo)準(zhǔn)聲源放在測(cè)試空間另一點(diǎn)，周圍反射環(huán)境和待測(cè)聲源相似；4.振速法原理：通過(guò)測(cè)量聲源的振速來(lái)測(cè)量聲功率的方法。適用對(duì)象：（1）背景噪聲高于機(jī)器輻射噪聲；（2）需要將結(jié)構(gòu)噪聲與空氣動(dòng)力噪聲分開；（3）需要確定聲源結(jié)構(gòu)噪聲的來(lái)源；

3.4.1聲級(jí)計(jì)

3.4測(cè)量?jī)x器最常用的噪聲測(cè)量?jī)x器是聲級(jí)計(jì)。一、聲級(jí)計(jì)

1.分類精密型普通型0級(jí)——實(shí)驗(yàn)室儀器（）Ⅰ級(jí)——聲學(xué)研究（）Ⅱ級(jí)——現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量（）Ⅲ級(jí)——監(jiān)測(cè)普查（）

2.結(jié)構(gòu)及組成噪聲測(cè)量?jī)x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(cè)試結(jié)果讀出設(shè)備中間設(shè)備單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)2/3/202348聲級(jí)計(jì)方框圖傳聲器衰減器放大器放大器衰減器均方根值檢波器指示表頭計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)聲壓外接記錄儀ABCLABCL外接濾波器聲級(jí)計(jì)結(jié)構(gòu)：傳聲器放大器衰減器計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)檢波器濾波器指示器附件等3.聲級(jí)計(jì)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(jí)計(jì)的接受部分，應(yīng)用最多的是電容傳聲器。

（2）放大器

一般采用兩級(jí)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(hào)放大。

聲級(jí)計(jì)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(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）衰減器其功能是將接受到的強(qiáng)信號(hào)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(cè)量低端，輸出放大器使用的衰減器調(diào)節(jié)范圍為測(cè)量高端。（4）濾波器讓一部分頻率成分通過(guò)，其它頻率成分衰減掉的儀器。根據(jù)所使用的計(jì)權(quán)網(wǎng)不同，分別稱為A聲級(jí)dB(A)、B聲級(jí)dB(B)和C聲級(jí)dB(C)。A計(jì)權(quán)聲級(jí)是模擬人耳對(duì)55dB以下低強(qiáng)度噪聲的頻率特性，B計(jì)權(quán)聲級(jí)是模擬55dB到85dB的中等強(qiáng)度噪聲的頻率特性，C計(jì)權(quán)聲級(jí)是模擬高強(qiáng)度噪聲的頻率特性。三者的主要差別是對(duì)噪聲低頻成分的衰減程度，A衰減最多，B次之，C最少。（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(hào)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(gè)恒定百分值，帶寬隨中心頻率的增加而增大，即高頻時(shí)帶寬比低頻時(shí)寬，故應(yīng)用更加廣泛。（5）檢波器和指示器檢波器作用是把迅速變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成變化較慢的直流電壓信號(hào)。根據(jù)測(cè)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(shí)間間隔中的最大值，平均值檢波器能在一定時(shí)間間隔中測(cè)量其絕對(duì)平均值，在多數(shù)的噪聲測(cè)量中均是采用均方根值檢波器。（5）檢波器和指示器

均方根值檢波器能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將結(jié)果輸送到指示表頭。目前，測(cè)量噪聲用的聲級(jí)計(jì)，表頭響應(yīng)按靈敏度可分為四種：

(1)“慢”。表頭時(shí)間常數(shù)為1000ms，—般用于測(cè)量穩(wěn)態(tài)噪聲，測(cè)得的數(shù)值為有效值。

(2)”快”。表頭時(shí)間常數(shù)為125ms，一般用于測(cè)量波動(dòng)較大的不穩(wěn)態(tài)噪聲和交通運(yùn)輸