声学测量和分析基础

1声学测量和分析基础AcousticTestingandAnalysis编写：刘馥清2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·车辆NVH性能评估·机电产品的质量控制与性能评比·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3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。空气压缩机、电风扇的噪声属此类。●机械噪声由固体振动而产生。设备运行时，金属板、金属管、齿轮和轴承等，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。●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。●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。4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、传动系，…）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（空调器、刮水器、音响、喇叭…）噪声●制动噪声5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。可听声的频率为20~20000Hz。声波在空间传播时，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，线声源（譬如管道，交通干线）可形成柱面波。二声频（f）,声速（c）和声波的波长（λ）c/fλ=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+0.6t(m/s)其中，t为摄氏温度。当t=20℃时，c=343m/s。据此，f=20Hz,λ≈17m；f=20kHz,λ≈17mm；f=1kHz,λ≈340mm。三波数(k)指波传播方向单位长度上的波长数，它等于波长λ的倒数。更通常的定义是以2π/λ为波数，以k表示，即λ2πcωk==。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。6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（声源）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。7声压与声压级声压指由于声波存在而引起的大气压力增值。用符号p表示。其单位为Pa（帕）或2/mN。一个标准大气压为PabarpS5101===100kPa听阈声压或基准声压为()z100010250HPap−×=声压级—SPL或PL)(lg20lg100202dBppppLP==p—实际声压0p—基准声压*通常，p和0p均指有效值，而非瞬时值**痛阈声压和声压级分别为()z1000120,a20HdBLPpP==8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vpZ=在自由场中，对于球面波和平面波而言，有ρcpv=其中，ρ—媒质的静密度c—声速即媒质的声阻抗率为Z=ρc由于ρc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（瑞利）,量纲为skg/m2。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℃）空气（0℃）水蒸汽（100℃）淡水（20℃）海水（15℃）钢玻璃混凝土343331.6405148115005050520031004154282421.48×6101.54×61039.0×61012.0×6108.00×6109声强与声强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表示，单位为2/mW（瓦/米2）。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：vpI=对于球面波和平面波，因有cp/ρv=,故声强的模与声压的关系为：()22/mWcpρ=I声强级—SIL或LI()dBLppppcpcpIILPI=====02022020lg20lg10lg10lg10ρρ即：对球面波和平面波来说，声强级SIL与声压级SPL有相同的值*基准声强()HzmWI1000/102120－＝**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。10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（远场情况），则距离声源中心为()mr的球面上各点的声强I与声功率W的关系为：()22/4mWrWIπ＝或()WIrW24π=*声强随声源的距离平方而降低的关系称为反平方律关系。声功率级—WLSWL或()2004lg10lg10lg10rIIWWLWπ+==*基准声功率()WW12010－＝对球面波()dBrLLPW11lg20+＋＝对半球面波()dBrLLPW8lg20+＋＝在混响室内()dBVTLLSW14lg10lg10−+−＝SL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60dB所需的时间。V房间容积（m3）11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：∑==+++=n1iin21∑==+++=n1iin21IIIII相应的声功率级和声强级为0in1i0∑===1010∑===n1i0i0IIIlgIIlgL1010其中，iW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()∑==+++=+++==n1i2i2n22212n22212pρc1pppρc1ρcpρcpρcpρcpI则合成声压级为202i202ppplgpplgL∑==1010两个声压级相同（21pp=）的声源同时存在时，其合成声压级为11321021010121PP2022022PLLlgpplgppplgL+≈+==+=（dB)即：声压增加一倍，声压级提高3dB。12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。13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。CBAIEC、、标准规定79651−三种计权网络特性，它们分别对应于倒置的40、70、100phon等响曲线，其作用是分别反映人耳对低声压、中声压和高声压的响度感觉。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）14等效连续声级在评定间断声、脉冲声或声压级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eqL表示，即()()()dBdtTdBdtptpTLPALTTAeq100200101lg101lg10∫∫=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=式中，T—总测量时间()tpA—A计权瞬时声压0p—基准声压(20Paμ)PAL—A声级瞬时值15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。最常用的是电容传声器。其它如晶体传声器和电动传声器等在声测量中很少采用。电容传声器结构如下图所示。金属膜片感受声压变化发生振动，膜片与背极板之间的电容随之变化。在极化电压e0（常用DC200V）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（electret）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。驻极体经预极化，本身带静电，可长期保持，如同永久磁铁。工作时，不需要另加极化电压。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DC24V)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）16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。声级计声级计是最基本的噪声测量仪器，其主要构成如下图所示。前置放大器输入衰减器输入放大器计权网络输出衰减器输出放大器RMS检波器指示器传声器根据国际电工委员会IEC651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。*各类声级计的固有误差限值规定如下：声级计类型0123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τ。τ的取值依赖于信号的类型，常用（非法定）值为：τ=35ms用于脉冲（尖峰）信号τ=125ms用于快变信号τ=1000ms用于慢变信号17某声级计外观：1.电容传声器（极头）2.前置放大器3.安装环4.功能选择器5.声级量程选择器6.数字显示7.模拟表8.零点调节9.过载指示器10.复位按钮11.Run/Pause按钮12.平均时间选择器13.类型选择器14.表复位钮15.表量程选择器16.表功能选择器17..Int-Cal-Filter选择器18.校准控制19.表速选择器18有关噪声测量方法和限值的若干国家标准GB/T14367-1993噪声源声功率级的测定使用基础标准与制订噪声测试规范的准则GB/T16538-1996声学声压法测定噪声源声功率级使用标准声源简易法GB/T6882-1986声学噪声源声功率级的测定消声室和半消声室精密法GB/T6881.1-2002声学声压法测定噪声源声功率级混响室精密法GB/T6881.2-2002声学声压法测定噪声源声功率级混响场中小型可移动声源工程法第1部分：硬壁测试室比较法GB/T6881.3-2002声学声压法测定噪声源声功率级混响场中小型可移动声源工程法第2部分：专用混响测试室法GB/T16404.1-1996声学声强法测定噪声源声功率级第1部分：离散点测量GB/T16404.2-1999声学声强法测定噪声源声功率级第2部分：扫描测量GB/T16404.3-2003声