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1、声学测量和分析基 础Acoustic Testing and Analysis 编写：刘馥清1 声学测量的工程意义 环境噪声的检测、分析和治理 交通噪声 工厂噪声 建筑施工噪声 社会噪声 机电产品的质量控制与性能评比 车辆 NVH 性能评估 建筑声学的测量与研究 电声仪器设备的设计与改进 水声学的测量与试验 声测仪器的研制与生产 声发射技术的研究和应用 噪声产生原因 1. 空气动力噪声 由气体振动而产生。气体的压力产生突变，会产生涡流扰动，从而引起噪声。空气压缩机、电风扇的噪声属此类。2. 机械噪声由固体振动而产生。金属板、金属管、齿轮、轴承等，在设备运行时，受到撞击、摩擦及各种突变机械力的作
2、用，会产生振动，再通过空气传播，形成噪声。3. 液体流动噪声液体流动中，由于液体内部的摩擦，液体与管壁的摩擦，或流体的冲击，都会引起流体和管壁的振动，并引起噪声。4. 电磁噪声各种电器设备，由于交变电磁力作用，引起铁芯和绕组线圈的振动。引起的噪声通常称交流声。2 5. 燃烧噪声燃料燃烧时，向周围空气介质传递了热量 ，使它的温度和压力发生变化，形成湍流和振动，产生噪声。汽车噪声源分类 一 发动机噪声 燃烧噪声 活塞敲击噪声 配气机构噪声 喷油泵噪声 齿轮噪声 进气噪声 排气噪声 冷却风扇噪声二 其它噪声 传动（变速器、传动轴，）噪声 轮胎噪声 车体振动噪声 车体空气动力噪声 车内其他辅助设备（空
3、调器、刮水器、音响、喇叭）噪声 制动噪声声波和声速一 声波质点或物体在弹性媒质中振动，产生机械波向四周传播，就形成声波。可听声波的频率为 2020000 Hz 。声波在空间传播时，其相位相同的点组成的面称为波阵面。点声源附近的声波（波阵面）为球面波，离声源足够远处的声波视为平面波，特殊情况（线声源）下可形成柱面波。3 二 声频 （ f ） ,声速（ c） 和声波的波长（） = c / f 声速即声波的传播速度与媒质材料和环境有关。在空气中，声速C = 331.6 + 0.6 t ( m/s ) 其中， t 为摄氏温度三 波数 (k) 指波传播方向单位长度上的波 长数。等于波长的倒数，即 1/
4、。更通常的定义是取 2/ 为波数，以 k 表示。即 2 =c k 。波数也称为波的空间频率。 四 质点速度（ v） 指质点因声音通过而引起的、相对整个媒 质的振动速度。它与声速属不同概念，不可混淆。声波传播不是把平衡位置附近的质点传走，而是把它的振动能量传走。声 场有声波存在的区域称为声场。声场大致可分为自由场、扩散场和半扩散场三种类型。一 自由场在均匀各向同性的媒质中，边界影响可忽略不计的声场称自由场。在自由场中，任何一点，只有直达声，无反射声。消声室是人为的自由场，是由吸声材料和吸声结构做成的密闭空间。静谧无风的高空或旷野可近似认为是自由场。二 扩散场声能量均匀分布，并在各个传播方向做无规
5、则传播的声场，称扩散场，或混响场。声波在扩散场内呈全反射状态。人为设计的混响室，就是典型的扩散场。无论声源处于混响室内任何位置 ， 室4 内各处的声压接近相等，声能密度处处均匀。三 半扩散场如果实验房间很大，以致边界墙面和天花板的反射可以忽略，只剩下地面的反射，这种空间称半扩散场，或半自由场。精密的声学测量和分析要求在自由场或扩散场进行测试。一些工程要求的测试可以在半自由场进行。四 近场和远场在不足两倍机器尺寸，或所发声波最低频率的一个波长距离之内（二者中取大者），称为近（声）场；大于此距离，称为远（声）场。近场的质点速度与瞬时声压不同相，远场的质点速度与声压同相。声压与声压级 声压 指由于声
6、波存在而引起的大气压力增值。用符号 P 表示，其单位为P () /a 或帕 N / m2 ( 米牛顿2 )。一个标准大气压为 PS =1bar =105 Pa听阈声压也称为基准声压p 10250= Pa (1000Hz )声压级 SPL或 LP P2 PLP = lg 10 = lg 20 (dB)2p0 p0 P 实际声 压 p0 基准声 压 * 通常， P 和p0 均指有效值，而非瞬时值。 * 痛阈声压和声压级分别为P = 20P , LP =120dB (1000H )a Z 5 声阻抗率 声场中， 某位置的声压 p 与该位置的质点振动速度 v 的比值 Z 定义为该点的声阻抗率，即 Z
7、=p v 在自由场中，对于球面波和平面波而言，有pv =c 其中 ， 媒质的静密度 c 声速 即媒质的声阻抗率为 Z = c 由于c仅与媒质材料性质有关，又称其为媒质的声特性阻抗，单位为 Rayl 2（瑞利）,量纲为 s kg/m 。 部分媒质的声特性阻抗 媒 质 声速 （m/s ） 声特性阻抗 ( Rayl ) 空气 （20） 343 415空气 （0） 331.6 428水蒸汽（100） 405 242淡水 （20） 14811.48 106海水 （15） 15001.54 106钢 505039.0 106玻璃 520012.0 106混凝土 3100 8.00 10 6 6 声强与声强
8、级 声强 指单位时间内，声波通过垂直于声波传播方向单位面积上的声能量。用符号 I 2表示，单位为 W / m2 （瓦/米 ）。 严格说，声强是一种向量（声压则是标量），其大小等于声压p 与质点速度v 的积，方向与质点速度方向相同，即： I r= v p r对于球面波和平面波，因有v = p/c ,故声强的模与声压的关系为： 2 2I =p (W / m )c 空气密度 c 声速 声强级SIL 或 LI 2 2I P c PLI = lg 10 = lg 10 = lg 10 2I0 p c p 2 0 0 dB= lg 20 P = LP ()p0 即：对球面波和平面波来说，声强级 SIL 与
9、声压级 SPL 有相同的值* 基准声强 I / mW102120 (1000Hz )* 对于非严格球面波和平面波而言，SIL 的值与 SPL 的值稍有不同。 7 声功率和声功率级 声功率指单位时间内，声波通过垂直于传播方向 某指定面积的声能量。但一般指的是所谓声源声功率，即指某台机器所辐射的总声功率。(将机器视为点声源，则距声源中心为m r )的球面各点的声强I 与声功率 W 的关系为：WI (22/ mW )4r 2 W或W = 4r I ()声功率级 SWL或 LWLW = lg 10 W I (2004lg10lg10 rI+= )W * 基准声功率W 12010 (W )对球面波LW
10、LP lg 20 r +11 (dB)对半球面波LW LP lg 20 r +8 (dB)在混响室LW LS lg 10 T + lg 10 V 14 (dB)LS 混响场中平均声压级（ dB） T 混响时间 （ s） 指声源断开后，室内声压级从原来声压级降低 60 dB 所需的时间。V 房间容积 （ m3 ） 8 多声源的声压合成 实际声场中，有多个声源同时存在时，计算某一测量点的合成声压的方法如下：先考虑合成声功率和声强： W =W1 +W2 + W =nWLn i =1 i I1 I2 L II =+=nIin i =1 相应的声功率级和声强级为 WLW =10lg =10lgnWiW0
11、 i =1 W0ILI =10lg =10lg nIi I0 i =1 I0 其中，Wi和 Ii 为各声源单独存在时，该测量点的声功率和声强。 根据声压-声强关系，有2 2 2 2 n Lpn 2p22 Ln21 2I =p =p1 +p2 +c =1c (p1 + p )=pc c c ci =1i 则合成声压级为 22 iL =10lg p =10lg p p2 2p0 p0 两个声压级相同 （ p1 = p2 ） 的声源同时存在时，其合成声压级为2 1 2 13LP =10lg p + p2 =10lg 2 p2 =10lg 2 + LP1 （dB)2 2LP1p p0 0 即：声压增加
12、一倍，声压级提高 3 dB 。 9 响度级和等响曲线 人耳对声音强弱的主观感受，不仅与声压级有关，而且与频率和波形有关。工程上，用单位为 phon（方）的响度级来度量这种主观感觉。根据 ISO 标准规定，对于频率为 1000Hz 的纯音，响度级（phon）和声压级（dB ）的值是相同的，只是单位不同而已 。对其它频率的纯音，响度级与声压级的关系，由标准的等响曲线给出（见下图）。计权声级 考虑到人耳听觉在不同的频率有不同的灵 敏度，在一般噪声测量仪器中，常配置一些特定的滤波电路，叫 计权网络。通过计权网络测得的声压级，称为计权声级，简称声级。BIEC651 79标准规定 A 、 C 三种计权网络
13、特性，它们分别对应于倒置的 40、70、100 phon 等响曲线，其作用是分别反映人耳对低声压、中声压和高10 声压的响度感觉。近年来，B 计权、C 计权已很少采用，一般声级测量均采用 A 计权。由 A 计权测量的声级称为 A 声级，记作 LPA 或 dB(A)。D 计权专用于飞机噪声的测量。（Stevens 公式）等效连续声级 在评定间断的、脉冲的或随时间变化的不稳定噪声时，采用一段时间内能量平均的方法表示噪声大小，称之为等效连续声级，用符号Leq 表示，即 T 1 0 T P ()2 dtA dBL = lg 10 t ()eq p0 1 LPA dB= lg 10 dt ()T1001
14、0T 式中： T 总测量时间PA () A 计权瞬时声压tp0基准声压(20 Pa) LPA A 声级瞬时值11 传声器 传声器也称话筒或麦克风 ( Microphone )， 其作用是将声能转换为电能。声学测量常用电容传声器，而晶体传声器和电动传声器则较多地应用于音响设备。电容传声器 结构如图示。金属膜片感受声压变化发生振动，膜片与背极板之间电容随之变化。在极化电压 e0（通常用 DC 200V 电源）作用下，负载电阻 R 上产生与声压大小成比例的交变电压。驻极体传声器 ：用驻极体材料做成的电容传声器，有两种结构：一是用驻极体高分子薄膜材料做振膜；二是用驻极体材料做背极板。驻极体经预极化，成
15、为一种类似永久磁铁的“永久荷电体”， 本身带静电，不需要极化电压。市售 ICP 传声器即是内置有前置放大 IC 电路的驻极体传声器。它可与 ICP 压电式加速度计用相同电源 ( 如 DC 24 V ) 供电。传声器的核心（敏感件）部分，称极头（Catridge）。极头的尺寸有 1、 1/2、1/4 和 1/8 几种。一般说，尺寸大的，灵敏度（ mV/Pa） 高， 但工作频率上限偏低，常用之测量低声级；反之，尺寸小的，灵敏度低，工作频率上限高，常用之测量高声级。在室外特殊条件（有风、雨、雪等）下使用传声器，应配置防风罩、防雨罩、鼻锥等附件。12 声级计 声级计是最基本的噪声测量仪器，其主要构成如下图示。大器 减器 大器计权网络 减器 大器前置放 输入衰 输入放 输出衰 输出放 RMS 检波器传声器 指示器根据国际电工委员会 IEC 651 标准规定，声级计分为四种类型：0 型、1 型、2 型和 3 型。0 型为标准声级计，1 型为实验室用精密声级计，2 型为一般用途普通声级计，3 型为用作噪声监测的普查型声级计。各类型声级计的固有误差限值如下：声级计类型 0 1 2 3 固有误差限值 dB 0.4 0.7 1.0 1.5 积分平均声级计允许测量等效连续声级。 时间平均（或称时间计权）特性取决于 RMS 检波器的时间常数 。 的取值
