声学基础知识

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1、噪声产生原因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。如空气压缩机、电风扇的噪声。机械噪声由固体振动产生。金属板、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用，会产生振动，再通 过空气传播，形成噪声。液体流动噪声液体流动过程中，由于液体内部的摩擦、液体与管壁的摩 擦、或者流体的冲击，会引起流体和管壁的振动，并引起噪声。电磁噪声各种电器设备，由于交变电磁力的作用，引起铁芯和绕组 线圈的振动，引起的噪声通常叫做交流声。燃烧噪声燃料燃烧时，向周围的空气介质传递了热量，使它的温度 和压力产生变化，形成湍流和振动，产生噪声。声波和声速声波质点或物

2、体在弹性媒质中振动，产生机械波向四周传播， 就形成声波（声波是纵波）。可听声波的频率为2020000Hz, 高于20KHz的属超声波，低于20Hz的属次声波。点声源附近的声波为球面波，离声源足够远处的声波视为 平面波，特殊情况（线声源）可形成柱面波。声频（Q声速（。）和波长（x）2= c /f声速与媒质材料和环境有关：空气中，c=3316+06 或 c = 20.05*73 +1 （m/s）在水中声速约为1500 m/s。一摄氏温度传播方向上单位长度的波长数，等于波长的倒数，即1/2。 有时也规定2兀/2为波数，用符号K表示。质点速度质点因声音通过而引起的相对于整个媒质的振动速度。声 波传播不

3、是把质点传走而是把它的振动能量传走。有声波存在的区域称为声场。声场大致可以分为自由场、 扩散场（混响场）、半扩散场（半自由场）。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为自由场。在自由场中任何一点，只有直达声，没有反射声。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为自由场。扩散场声能量均匀分布，并在各个传播方向作无规则传播的声场， 称为扩散场，或混响场。声波在扩散场内呈全反射。人为设计的混响室是典型的扩散场。无论声源处于混响室 内任何位置，室内各处声压接近相等，声能密度处处均匀。自由场扩散场（混响场）半扩散场如果实验房间很大，以至边

4、界墙面和天花板的反射可以忽 略，只剩下地面的反射，这种空间称为半扩散场，或半自由场。精密的声学测量和分析要求在自由场或者扩散场进行，一些工程要求的测试可以在半自由场进行。近场和远场在不足两倍机械尺寸或所发声波频率最低的一个波长距离之内（两者取大者），为近（声）场，大于此距离为远（声）场。近场的质点速度与瞬时声压不同相，远场的质点速度与瞬 时声压同相。距离增加一倍，点声源声压级降6dB,线声源声压级降3dB。声压与声压级声压由于声波存在而引起的大气压力增值，用符号 p表示。单位是Pa或N/m2听阈声压也称为基准声压p0=2X10-5Pa (1000Hz),即标准 化额定听阈，表示有正常听力的人，

5、平均能听到的1000Hz的最 低声音。在水中p0=1 Pa。通常p和p0指有效值而非瞬时值。dB标尺由于可检测到的声压幅值范围很大，而人耳对声压刺激的 反应与对数规律有关，习惯上在表示声学参数时，都是取测量 值和参考值的比率的对数值，即采用dB标尺。声压级一SPL或Lpp实际声压痛阈声压和声压级分别为p=20Pa,Lp=120dB (1000Hz)相同声压级加法P两个同声压级相干单频声源叠加，声压级增加6dB。两个同声压级非相干声源叠加，声压级增加3dB。工程上遇到问题一般是加3dB。不同声压级加减法查表：例：L1=55dB , L2=51dB L=4dB,对应增量 L =1.4dB+所以：5

6、5dB+51dB =(55+1.4)dB =56.4dBL1=60dB ， L2=53dB L=7dB,对应减量L =1dB_所以：60dB-53dB =(60-1)dB =59dB计算：例：55dB+55dB=10lg (1055/1o+1055/1o)=58dB55dB+40dB=10lg (1055/10+1040/10)=55dB60dB-53dB=10lg (1060/10-1053/10)=59dB两个声源声压级相差15dB以上，则小的声压级影响可忽略。声强和声强级声强单位时间内，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表示，单位为W/m2。声压变化引起媒质质点的移

7、动，声强即是声压与质点速度 的积。对于球面波和平面波，声强与声压的关系：p声压 p介质密度 c声速W声功率r一测量点到点声源的距离pc声阻抗 20C时 pc=408 （瑞利，Kg/m2s）v质点速度，v=p/pc声强级一SI乙或L基准声强 I =10-12 W/m2 （1000Hz） 0空气在室温时，与基准声压相对应的声强近似等于基准声 强，因此自由场中，声强级与声压级数值近似相等；扩散场（混 响场）中声强处处为零。声功率和声功率级声功率单位时间内，声波通过垂直与声波传播方向某指定面积的 声能量。一般指的是所谓声源声功率，即声源辐射的总声功率， 单位为W。人正常讲话声功率约为10-5W。距离点

8、声源距离为，的球面各点声强I与声功率W的关系:声功率级一SWL或Lw基准声功率W =10-12 W0对球面波：LW =Lp+20lgr +11 (dB)对半球面波：LW =Lp+20lgr +8 (dB)在混响室：LW =LS-10lgT+10lgV-14 (dB) ?LS 一混响场中平均声压级V一房间容积T一混响时间，一般指“，声源停止后声压级下降60dB所需时间。噪声的频谱倍频程（Octave）将频谱分为若干个连续的频段（每个频段的上限频率等于下一个频段的下限频率），每个频段为一个频带，以直方图表示。令 f / f = 2 Nf = ffw = f - f = (2 N/2 - 2 - N

9、 y u ic u i u i1/1倍频程N=1 ： 倍频程，简称倍频程；N=1/3 :三分之一倍频程；N=1/12 :十二分之一倍频程fu f频率 fc=Jff：2n fc=带宽! w =fi= （2n/2- 2-N/2）fc常见的有1/1、1/2、1/3、1/12、1/24倍频程分析，其中1/3倍频程分析最常用。1/3倍频程可由FFT线状谱通过一定综 合运算得出。声谱频率为横坐标，声音的强弱（声压级、声强级或声功率级） 为纵坐标，绘制出声音强弱随频率分布的线图称为声音的频谱， 简称声谱。由FFT分析得到的频谱，具有等带宽性质，其频率分辨率 等于谱线间隔 f,这种方法谱线较多， f较小，可称

10、为窄带谱。声音的频率范围很宽，一般不可能，也没有必要对每个频 率逐一测量，一般都用1/1倍频程或1/3倍频程进行分析。用声谱进行分析时，可得到线谱和连续谱等。线谱多是由 转动引起的谐波，可用于改进机械结构；连续谱反应整体结构 的噪声状况，可用于整体降噪改进（减振、隔振等）。倍频程滤波器滤波器按带宽类型可以分为恒百分比（比例）带宽滤波器和恒（值）带宽滤波器。FFT分析大多用恒（值）带宽滤波器， 声学测量需要用恒百分比*例声带级级波器。响度级和等响曲线人耳对声音强弱的主管感受，不仅与声压级有关，而且与 频率和波形有关。工程上，用响度级P （单位：Phon ）来度量这 种主观感觉。对于频率为1000

11、Hz的纯音，响度级和声压级的数 值是相等的，只是单位不同。其它频率的纯音，响度级和声压 级的关系由等响曲线给出。作为声品质分析依据的等响曲线，是由大量心理学试验得出的结果。纯音的等响曲线计权声级考虑到人耳对不同频率的声音敏感度不同(对3K6KHz的 声音最敏感)，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。通过计权网络得到的声压级，叫做计权声级，简称声级。A、B、C三种计权网络特性，分别对应于倒置的40、70、 100Phon等响曲线(1000Hz归一化到OdB)，其作用是分别反应 人耳对低、中、高声压级的响度感觉。A计权被证实是人耳对声 压级主观反应的极好校正。对由A计权测

12、量的声级称为A声级， 记作Lpa或dB(A)o近来B计权、C计权已很少采用。A计权：40Phon等响曲线的翻转，模拟55dB以下低强度噪声特性。B计权：70Phon等响曲线的翻转，模拟5585dB中等强度噪声特性。C计权：100Phon等响曲线的翻转，模拟高强度噪声特性。D计权：专用于飞机噪声的测量。标准计权曲线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，用 一段时间内能量平均的方法表示噪声大小，称为等效连续声级。 用符号Leq表示，等效连续A计权声压级用LAeqT或LAT表示：T一总测量时间,T=t2-tiPA (t) A计权瞬时声压可用同样公式计算非A计权声压级信号P(t)

13、，得到Leq。声暴露和声暴露级在规定时间间隔或过程内，随时间变化的频率计权声压平方的时间积分。A计权声暴露，用符号EA表示。E =mt2p22t)d/t=(r2T)1T)0。11。)( Pa 2% JJ 22A 2( (t)t L ( p24 勺)(AeqT AeqT) (as )出tt1 Aa00对于工作场所的噪声暴露测量，用帕平方小时为单位会更方便。与Ea对应的A计权声暴露级用Lae表示：T0基准时间间隔，1sEo基准声暴露，Eo=po2To =400X 10-12 Pa2s传声器电容传声器金属膜片感受声压变化发生振动，与背极板之间的电容随之变化。在极化电压e 0的作用下，负载R上产生与声

14、压成比例的交变电压。现在膜片厚度可做到5四，两极距离可做到20四。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：a、用驻极体高分子薄膜材料做振膜b、用驻极体材料做背极板市售ICP传声器是内置前置放大IC电路的驻极体传声器，可以与ICP加速度传感器用同一个电源（如DC 24V供电）。传声器的保养连接传声器时，确保所有设备处于关闭状态，绝不在电源打开的状态连接传声器。小心操作，使膜片远离灰尘和其它物体，绝不触摸膜片。在干燥的地方保存，推荐使用自带保存盒，不要将传声器暴露在过湿、过冷和过热的环境中。声级计声级计是最基本的噪声测量仪器，是集成设备，有标准的 时间计权和测量参数。主要构成如图：普

15、通声级计（II型）频率范围：31.58000Hz准确度1dB 精密声级计（I型）频率范围：2012500Hz准确度土0.5dB 积分声级计允许测量等效连续声级。每个系列测量前后都需要标定，并记录标定结果。一般用 声级校准器或活塞发声器作为标定工具。如果测试是在一个相 当长的时间内进行，则每天至少需要标定两次。检定的声学内容主要包括：指示声级调整（校准）、指向性相应、频率计权和频率响应、级线性、时间计权F和S、猝发音 响应、重复猝发音响应、统计计算功能等。声强测量的基本原理时域分析对于某r方向，瞬时声强计算方法:频域分析由两个传声器信号的互功率谱的虚部可求出声强。总的平均声强为Gab一两个传声器信号的单边互谱Im表示取虚部 影响声强测量的主要因素邸 dp1、有限差分误差，即 = 2、传声器相位适配误差 3、背景噪声影响双传声器声强探声强探头是由两个相靠近的特性非常一致传声器组成。