噪声第三章-噪声源的测量

第三章噪声源的测量聊城大学环境与规划学院李聪[e-mail]2013.10.153.1声压的测量3.2声源的频谱测量3.3声强及声功率测量3.4测量仪器本课内容声功率的测量原理（理解）声级计的构造功能原理（掌握）本课的重点难点概述为了评价和控制噪声，必须对噪声源进行测量声压、质点振动速度、阻抗、声强和声功率；声压可以直接测量，是声学测量中最基本和最主要方式，而他量一般通过声压计算得到；用声功率表征噪声源的特性更确切，目前已研究出直接测得声强得到声功率的方法（新方向）3.1声压的测量声波传播时大气中压强随着声波作周期性的变化，声扰动所产生的逾量压强就叫做声压。p=p’-p0声能密度声强声功率S—平面声波波阵面的面积202cpecpIe02ISW声压的测量是声学测量的基础。声波的接收是声压测量的基础环节。在空气介质中最常用的接收器为传感器（麦克风）。传声器是将声波信号转换为相应的电信号的传感器；其原理是由声造成的空气压力推动传声器的振动膜振动，进而经变换器将此机器振动变成电参数的变化。按照接收声波方式的不同，传声器一般有四种：压强式压差式压强与压差复合式多声道干涉式作用：将声信号转化为电信号。精度较高，应用最多。当装置置于某空间时：不存在声场，腔内外压强相同，作用在膜片上的合力为0；如果有声波入射，则振膜在腔外一侧受到声压p的作用。振膜面积S，则合力为pSSppp])[(F00压强式传声器在此力作用下，振膜产生振动，使双压电元件也产生变形，在压电元件梁端面产生电荷。振动转化成电信号输出。测得这个输出信号就可求出声场中对应的声压24rWSWI压强式传声器1)与声波波长相比，传声器的尺寸应当很小，不会对声场产生干扰；2)在声频范围内具有具有良好的频率响应特性，即平坦的幅频特性和零相移的相频特性；3)动态范围宽。传声器应在很宽的动态范围内具有恒定的声压－电压转换灵敏度；4)性能稳定；5)高灵敏度和低的电噪声。理想的测量传声器应该满足以下条件按换能方式分类，传声器分为：电动式（用于普通声级计）压电式（用于普通声级计）电容式（常用于精密声级计）传声器的分类（1）电容传声器精密测量中最常用的一种传感器，其稳定性、可靠性、振性，以及频率特性均较好；电容式传感器幅频特性平直部分的频率范围约为10Hz~20kHz；具有理想传声器所要求的各种特性。（1）电容传声器无声波时，腔内外压强相等；有声波作用时，膜片受到声压P的作用，产生振动，使膜片与后板的距离发生变化，电容也随之变化，这就产生了一个交变电压信号，输送到前置放大器中。电容传声器的结构图电容计算公式：式中k为静电力常量，ε为介电常数，S为极板面积。当极板间距d变化时，电容C随之变化，电流I也会随之变化。电容传声器等效电路图kdsc4优点：频率范围宽，频率响应平直，灵敏度变化小，稳定性好，多用于精密声级计中。缺点：内阻高，需要配备响应的放大器和衰减器，需要一定的电压，膜片容易损坏。永电体式传声器（又称驻极体式），工作原理与电容式传声器相似，其特点是尺寸小、价格便宜，可用于高湿度的测量环境，也可用于精密测量。电容传声器优缺点（2)动圈式传声器这种传声器精度较低，灵敏度也较低，体积大，其突出特点是输出阻抗小，所以接较长的电缆也不降低其灵敏度。磁铁磁铁阻尼罩壳体振膜线圈在声压的作用下，振膜和线圈移动并切割磁力线，产生感应电动势。同线圈移动速度成正比。(3)压电式传声器压电式传声器膜片较厚，其固有频率较低，灵敏度较高，频响曲线平坦，结构简单，价格便宜，广泛用于普通声级计中。图8.8压电式传声器原理图壳体绝缘材料输出后板双压电晶体弯曲梁金属膜片静压力平衡管膜片受到声压作用而变位时双压电元件产生变形，在压电元件梁端面出现电荷噪声是由多种频率组成的为了解噪声的特性，需要知道声压级与频率之间的函数关系；将时间域中的数据转变为频率域中的数据（频谱分析仪）；f(t)F(ω)3.2声源的频谱测量傅里叶变换连续的傅里叶变换发展成离散傅里叶变换（DFT）离散傅里叶变换定义：An：离散傅里叶变换的第n个系数；Xk：具有N次采样时间顺序的第k个采样值；n、k=0,1,~~~,N-13.2.1快速傅里叶变换（FFT）10kkn)X(ANknWNjeW2离散傅里叶逆变换（IDFT）：离散傅里叶变换的一个重要性质是采样序列的离散傅里叶变换和采样值所表示连续波形的傅里叶变化之间有直接对应的关系；离散傅里叶变换是处理离散数字信号的一个方法；快速傅里叶变换是一种计算离散傅里叶变换的高效方法；3.2.1快速傅里叶变换（FFT）10nnk)(1XNknWAN利用Wn=1的性质，把计算离散傅里叶变换系数所需要进行的乘法运算次数从N2次压缩到(N/2)logaN次，a为整数，一般取2；例如N=1024，N2=1048576，而(N/2)logaN=5120，运算次数减少到原来的1/205;采用FFT来计算离散傅里叶变换，推动了频谱、相关函数、功率谱等技术的实际应用。快速傅里叶变换的原理在声信号处理中，窗函数是一种在给定区间之外取值均为0的实函数。例如，在给定区间内为常数而在区间外为0的窗函数被称为矩形窗；目前普遍使用的窗函数多达数十种，如汉宁窗、平顶窗、矩形窗、力窗、指数窗等；3.2.2窗函数汉宁窗函数的定义为：ω(t)=汉宁窗用于随即信号分析，以减少功率泄露；汉宁窗0.5(1-cos(2πt/T)),0=t=T0,t取其他值平顶窗适合于正弦信号分析，以保证幅值精度；矩形窗主要用于瞬态信号分析；在频率响应函数测试中对脉冲力信号使用力窗，以提高信噪比；在频率响应函数测试中对脉冲响应信号使用指数窗，以防止信号截断现象，减少功率泄露，提高信噪比。ω(t)=汉宁窗用于随即信号分析，以减少功率泄露；频谱分析仪的核心——滤波器；3.2.3滤波器带宽为f2-f1。频率f1和f2处输出比中心频率f0小3dB，称之为下线和上线截止频率。中心频率f0与截止频率f1，f2的关系为：20f*ff1频率分析仪通常分两类：一类是恒定带宽分析仪；用一固定滤波器，用外差法将信号频率移到滤波器的中心频率处，因此带宽与信号频率无关；另一类是恒定百分比带宽分析仪；噪声测量中使用，其滤波器的带宽是中心频率的一个恒定百分比值，故带宽随中心频率的增大而增大；有倍频程和1/3倍频程频率分析仪。窗口傅里叶分析：对不同的频率成分，在时间域上的取样步长均相同；小波分析：对不同频率成分在时间域上的取样步长是具有调节性的，高频者小，低频者大；优于傅里叶分析的一个显著特点是小波分析在时间域和频率域上同时具有良好的局部化性质，被称为“数字显微镜”。3.2.4小波分析技术相对于傅里叶分析，小波分析正在或已经更为有效地应用于瞬态噪声信号分析、声信号分离、声信号特性提取、声源鉴别等领域。。3.2.4小波分析技术3.3声强及声功率的测量3.3.1声强的测量1.声强：指在单位时间内通过与指定方向垂直的单位面积的声能量的平均值，它是一个矢量值，表示为：I=W/S=pe·ue2.声强的测量原理一般采用两个性能相同的声压传声器组成声强计的传感器，与加法器、减法器、积分器、乘法器等组成声强计，直接进行声强测量。3.声强的测量仪器采用双传声器作为声信号的接收单元；两个传声器之间的距离r决定了测量的最高频率一般r取相应最短波长的1/6~1/10;最高频率为10kHz，则r应取3~5mm；组成：探头部分——信号处理部分——校准部分探头部分——传感器部分，从声场中拾取声压或质点振动速度信号。信号处理部分——负责对信号放大、滤波，然后根据测量原理计算并显示结果。校准部分——确保测量结果的准确性。分类：小型声强计：只给出线性的或A计权的单值结果，技术是模拟似的；（测总的声强级或A计权声强级）双通道快速傅里叶分析仪：通过互功率谱计算声强；（进行窄道分析，在设备和时间上没有什么限制）利用数字滤波技术：由两个具有归一化1/3倍频程滤波器的双路数字滤波器组获得声强的频谱。声强测量技术：直接测量技术和间接测量技术；p-up-p4.声强测量的应用鉴别声源及其方位画出声源附近声能量流动的路线研究材料吸声系数随入射角度的变化求声源的声功率3.3.2声功率的测量声功率：声源在单位时间内发出的总能量，与测点离声源的距离以及外界条件无关。目前已有的为ISO颁发的测量噪声源声功率方法的标准以及我国参照ISO制定的测试标准。ISO测试标准按测量精度分为：精密级、工程级和简易级。按测试环境分为：自由声场、混响室法和户外声场法按声源噪声特性分为：稳态、宽带和窄带噪声。我国颁布的测试标准按测量精度分为：精密级、工程级和简易级。按测试方法分为：声压法、声强法、和振速法。按测试环境分为：混响室、消声室和半消声室。不同测量精度的特征参量精密法（1级）工程法（2级）简易法（3级）测试环境半消声室室内或室外室内或室外声源体积小于测试室体积的5%无限制无限制对背景噪声的限定△L≧10dB△L≧6dB△L≧3dB测量数目≧10≧9≧41.声压法声压法是指通过测量声源的声压值，再换算成声功率的方法。声压法可分为自由声场法和混响室法两类。（1）自由声场法产生自由声场的环境可以是消声室或半消声室。利用自由声场法可以测量无指向性声源和指向性声源的声功率。无指向性声源辐射声功率的测量只需测量出声场中某处的声压级即可。若为精密测量，需注意：1.在消声室内进行，吸声系数大于0.992.传声器位置2-5倍于被测声源尺寸3.传声器离墙面的距离不小于被测信号波长的1/4)(11lg20dBrLLpW指向性声源声功率的测量假想将球面分成与测量点数目相同的测量球。若每个测量球（半球）的面积相等，则：若每个测量球（半球）的面积不相等，则：NiLppiNL11.0101lg10NiLippiSSL11.0101lg10则自由声场的声功率级为：S1=4∏r2半自由声场中的声功率级为：S1=2∏r2)(lg1dBSLLpW)(lg2dBSLLpW测量点的布置固定传声器位置：平行平面内同轴的圆形路径子午线移动螺旋线路径其他传声器排列测量点的布置固定传声器位置：球面（半球面）测试一般采用20个固定点进行测量，在测量中测得的最高和最低声压级之差，在数值上小于测量点数的一半，则测量点数是足够的。测量点的布置平行平面内同轴的圆形路径：单个传声器沿圆形路径连续移动，声压级做时间和空间的平均。如为半自由声场，最少选5个路径；如为自由声场，路径依次增加。测量点的布置子午线移动：用单个传声器围绕通过声源中心的水平轴做半圆形弧线移动，传声器移动线至少要8条，每条围绕声源的方位角有相等的增量。测量点的布置螺旋线路径移动：单个传声器按子午线路径移动的同时，还缓慢经过至少5个整圆周路径，形成围绕测量表面垂直轴的螺旋线路径。（2）混响室法混响室内有直达声场和反射声场共同作用。aS-室内总吸声量，考虑空气吸收对高频声的影响，则：m-空气吸收衰减系数；V-混响室体积1.6)lg(10waSLLp1.6)mV4lg(10waSLLp2.声强法原理：W=I·S，只要测量出声强的平均值即可测算出声源的声功率。测量方法：（1）定点式测量方法（2）扫描式测量方法优点：（1）不需要使用消声室或混响室等声学设施；（2）在多个声源辐射叠加的声场中能区分不同声源的辐射功率；3.标准声源法原理：已知标准声源的声功率为Lws，使标准声源和待测声源在相同条件和同样测点产生的声压级分别为Lps和Lpx，则声源的声功率级为：Lwx=Lws-Lps+Lpx方法：（1）置换法——把待测声源移开，用标准声源代替待测声源进行测量；（2）并摆法——若待测声源不便移动，把标准声