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