《噪声测量》课件.ppt

第三章 噪声源的测量本章主要内容u 3.1 基本声学量-声压的测量u 3.2 声源的频谱测量u 3.3 声强及声功率测量u 3.4 测量仪器3.1 基本声学量-声压的测量(1)声压的测量是声学测量的基础。在声压测量中，声波的接收是声学测量的基础和首要环节.(2)空气介质中最常用的接收声波的传感器为传声器。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。(3)四种接收声波的方式：压强式、压差式、压强与压差复合式、多声道干涉式。声能量声强声功率s平面声波波阵面的面积声压的测量是声学测量的基础。3.1 基本声学量-声压的测量声波的接收是声压测量的基础环节。o 仪器：传声器（麦克风），按声学原理一般分为四种：压强式 压强式传声器只激励传声器振膜的一侧，主要是无指向性传声器。压差式压差式传声器只激励传声器振膜的两侧，也就是振膜运动受两侧声压的控制，这类话筒总是带有特定的指向性 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。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。精度较高，应用最多。传声器还可分为o 按能源分：有源传声器、无源传声器o 按换能原理：电动传声器、电容传声器、压电式传声器、半导体式传声器等o 按用途及使用方法：音乐用传声器、歌唱用传声器、有线传声器、无线传声器、落地式传声器、手持式传声器单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级5/29/2023 6壳体上开有毛细孔，用来平衡振膜两侧的静压力，以防止振膜破裂。振膜厚度在 0.002 50.05 mm 之间，它在声压的作用下发生变形位移，起着可变电容器动片的作用可变电容器的定片是背级,其上的阻尼孔抑制振膜的共振振幅电容式传感器etRet毛吸孔内腔背级振膜阻尼孔绝缘体然而动态的应力变化（声压）很难通过毛细孔而作用于内腔，从而保证仅有振膜的外侧受到声压的作用。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级5/29/2023 7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。动圈式传声器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。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级5/29/2023 8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。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测量仪器(5/9)压强式传声器o 无声场时：I内=I外，F=0o 有声波入射时，F=ps，在此力的作用下，通过力电换能器，振动转换为电信号输出，因此，测得这个输出信号就可以求出声场中对应的声压。o 作用到传声器上的合力与声波入射方向有关，传声器具有指向性，但利用压强原理制成的传声器在低频率是无指向性。o 理想的声学测量用的传声器特性：自由声声电压灵敏度高、频响特性宽、动态范围大、体积小，不随温度、压力、湿度等环境条件而变化。DF背极C0压强式传声器的结构电容传声器o 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。o 无声波时，腔内外压强相等；o 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。电容传声器的结构图o 电容计算公式：o 式中k为静电力常量，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o 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。o 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。3.2 声源的频谱测量频谱测量：为了更好地了解噪声的特性，需要知道声压级与频率之间的函数关系，即需要将通常的时间域中的数据转变为频率域中的数据，能完成这种转变的设备就是频率分析仪或频谱分析仪。包括：快速傅里叶变换 窗函数 滤波器 小波分析技术（1）在模拟信号分析中，带通滤波器是必不可少的仪器。它的作用是只让滤波器所确定的频率范围内的信号通过，而阻止其他分量的信号通过。即在通带内没有衰减，在通带外没有输出。（2）测取噪声信号频谱的传统方法是模拟分析法，这种方法是使待测信号通过若干个不同中心频率的模拟滤波器、或中心频率可在一段频率上移动的可调滤波器，这种滤波器通常是带通滤波器，即只允许在规定频带内的信号分量通过的滤波器。在滤波器的输出端测定所传输的信号功率并用记录器记录下来，制成相应的图表，就完成了模拟分析。记录器可以是电平表、示波器或专用记录仪。根据所使用带通滤波器特性的不同，具体的模拟频率分析方法又分为两大类：即恒定带宽（又称绝对带宽）分析法与恒比例带宽（又称恒百分带宽）分析法，它们使用不同特性的滤波器。恒定带宽分析法 恒定带宽滤波器的特性是这样的：当滤波器中心频率改变时，滤波器的通带宽度保持不变，即不论接受信号的频率是多少，可通过的信号频带宽度都是一样的。在线性的频率刻度上，恒带宽给出的分辨率是均匀的，这种方法有利于对谐波的检测。它通常是窄带的，适宜于对稳定的线状谱进行分析，能有效的抑制不需要的声，把所需的纯音或谐波从噪声中提取出来。但倘若被分析信号的 纯音或谐波频率不稳定，那么测试就会引入较大的误差。在恒带宽频率分析中，最常用的是谱级。它是以指定频率为中心、宽度为1 Hz的声压级，这种概念主要用来比较不同频带分析时测得的数据。恒比例带宽分析法 恒比例带宽滤波器的中心频率改变时，通带宽度将会变化，但通带宽度与中心频率的比值保持不变。恒比例带宽滤波器是被用得最多的滤波器。由于它的通带内放大倍数几乎不变，所以适用于噪声谱的分析，也可以用于分析纯音或谐波。但由于它的带宽在高频时较宽，在一个通带内，往往会包含二个以上的谐波，进行谐波分析时就会引起测试误差，因此不宜用它做精密的谐波分析。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=pu2.声强的测量原理o 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o 组成：探头部分信号处理部分校准部分 与声级计组成相比较的不同与相同点。o 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。o 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。o 校准部分确保测量结果的准确性。o 分类：小型声强计：双通道快速傅里叶分析仪：双路数字滤波器：4.声强测量的应用o 鉴别声源及其方位o 画出声源附近声能量流动的路线o 研究材料吸声系数随入射角度的变化o 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o 按测量精度分为：精密级、工程级和简易级。o 按测试环境分为：混响室、消声室和半消声室。o 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o 按测量精度分为：精密级、工程级和简易级。o 按测试方法分为：声压法、声强法、标准声源法和振速法。o 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o 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。o 声压法可分为自由声场法和混响室法两类。（1）自由声场法o 产生自由声场的环境可以是消声室或半消声室。o 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。o 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0.99 2.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1/4o 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：注意：声压级之间的最大变化不得超过6dB，球的半径使用测量点位于远场。则自由声场的声功率级为：S1=4r2 半自由声场中的声功率级为：S1=2r2测量点的布置o 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，则测量点数足够。测量点的布置o 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o 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o 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o 混响室内有直达声场和反射声场共同作用。R-房间常数，R=Sa/(1-a)在混响室内，只要离开声源一定的距离，混响声远大于直达声，则：为保证测量结果的准确性，通常取几个点测得声压级的平均值，则声功率级为：2.声强法o 原理：W=IS，只要测量出声强的平均值即可测算出声源的声功率。o 测量方法：（1）定点式测量方法（2）扫描式测量方法o 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o 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 o 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，把标准声源放在对称的位置进行测量；（3）比较法把标准声源放在测试空间另一点，周围反射环境和待测声源相似；4.振速法o 原理：通过测量声源的振速来测量声功率的方法。o 适用对象：（1）背景噪声高于机器辐射噪声；（2）需要将结构噪声与空气动力噪声分开；（3）需要确定声源结构噪声的来源；3.4.1 声级计 3.4 测量仪器 最常用的噪声测量仪器是声级计。一、声级计 1.分类精密型普通型0级实验室仪器（）级声学研究（）级现场测量（）级监测普查（）2.结构及组成噪声测量仪器一般由三部分组成，即：接收设备、中间设备、读出设备接收设备读出设备测试结果读出设备 中间设备单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级5/29/2023 48声级计方框图传声器 衰减器 放大器放大器衰减器均方根值检波器指示表头计权网络声压外接记录仪ABCLABCL外接滤波器声级计结构：传声器 放大器 衰减器 计权网络 检波器 滤波器 指示器 附件等3.声级计各部分工作原理（1）传声器 俗称麦克风，是一种将声压转换成电压的声电换能器，是声级计的接受部分，应用最多的是电容传声器。（2）放大器 一般采用两级放大器，即输入放大器和输出放大器，其作用是将微弱的电信号放大。声级计内的放大器，要求具有较高的入阻抗和较低的输出阻抗，并具有较小的线性失真，以保证测量结果的准确性。（3）衰减器o 其功能是将接受到的强信号予以衰减，以便使表头指针指在适当的位置，一般分为输入衰减器和输出衰减器。o 输入放大器使用的哀减器调节范围为测量低端，输出放大器使用的衰减器调节范围为测量高端。（4）滤波器 让一部分频率成分通过，其它频率成分衰减掉的仪器。o 根据所使用的计权网不同，分别称为 A 声级dB(A)、B 声级dB(B)和 C 声级dB(C)。o A 计权声级是模拟人耳对 55dB 以下低强度噪声的频率特性，B 计权声级是模拟 55dB 到 85dB 的中等强度噪声的频率特性，C 计权声级是模拟高强度噪声的频率特性。o 三者的主要差别是对噪声低频成分的衰减程度，A 衰减最多，B 次之，C 最少。（4）滤波器 滤波器一般分为两种，即恒定带宽和恒定百分比带宽。o 恒定带宽是用固定滤波器将信号频率移到滤波器的中心频率。o 恒定百分比带宽的带宽是中心频率的一个恒定百分值，带宽随中心频率的增加而增大，即高频时带宽比低频时宽，故应用更加广泛。（5）检波器和指示器l 检波器作用是把迅速变化的电压信号转变 成变化较慢的直流电压信号。l 根据测量的需要，检波器有峰值检波器、平均值检波器和均方根值检波器之分。l 峰值检波器能给出一定时间间隔中的最大值，平均值检波器能在一定时间间隔中测量其绝对平均值，在多数的噪声测量中均是采用均方根值检波器。（5）检波器和指示器 均方根值检波器能对信号进行处理，将结果输送到指示表头。目前，测量噪声用的声级计，表头响应按灵敏度可分为四种：o(1)“慢”。表头时间常数为 1000 ms，般用于测量稳态噪声，测得的数值为有效值。o(2)”快”。表头时间常数为 125ms，一般用于测量波动较大的不稳态噪声和交通运输噪声等。快档接近人耳对声音的反应。o(3)“脉冲或脉冲保持”。表针上升时间为 35ms，用于测量持续时间较长的脉冲噪声，如冲床、按锤等，测得的数值为最大有效值。o(4)“峰值保持”。表针上升时间小于 20ms 用于测量持续时间很短的脉冲声，如枪、炮和爆炸声，测得的数值是峰值即最大值。（6）声级计的主要附件u防风罩：为避免风噪声对测量结果的影响。u鼻形锥：降低气流扰动对测量产生的影响。u延长线缆：避免仪器或测量人员对声场的干扰或不可能接近测量点的情况下使用。二、声级计的校准为保证测量结果的准确性，使用前后都要进行校准。一般的校准仪器：活塞发生器、声级校准器 活塞发生器校准 在传声器膜片上产生恒定的声压级，频率一般为250Hz 使用注意事项：o 1.在校准时，声级计频率计权必须放在“线性”档或“C”档o 2.要注意环境大气压力对它的修正o 3.注意校准器与传声器之间的紧密配合声级校准器校准o 用一个声压级已知的标准声音信号校准，测量时与已知声压级相比较，从而达到校准的目的。一般标准信号频率为1000Hz，声级计可置于任意计权网络位置。三、声级计的种类o 积分式声级计：能够以数字形式直接显示测量时间内被测噪声的等效连续A声级。o 数字式声级计：将信号输入转换器后进行分析和处理，结果以数字显示、打印或存储，可显示多种结果，应用最为广泛。o 脉冲式声级计：持续时间短的脉冲声。o 环境自动监测分析仪：自动进行采集、计算。3.4.2 振动分析仪3.4.3 多通道实时动态信号分析仪 3.4 测量仪器