1、第第8 8章章 噪聲測量噪聲測量8.1 聲級與倍頻程聲級與倍頻程8.2 計權計權8.3 噪聲分析儀噪聲分析儀聲的特點：很強的共享性。噪聲：不希望聽到的聲音。噪聲測量實質上也就是聲測量。在機械工程領域，噪聲測量的任務主要是：1) 測定噪聲的強烈程度；2) 分析噪聲的結構與特性；3) 查找噪聲源等。 8.1 聲學基本概念8.1.1 聲波和噪聲聲音由振動產生，在媒質中傳播。振源也稱為聲源。 當聲波在空氣中傳播時，空氣質點受迫在原位置沿傳播方向來回振動，空氣密度因此發生變化，相應處的壓強也發生變化，并向鄰近的質點傳遞此變化，形成壓力傳播過程，即聲波。 聲波屬于疏密波，由于空氣質點的振動方向與聲波的傳播

2、方向一致，所以聲波有又稱為縱波。 聲波的頻率f、周期T、波長和聲速c的關系是： TcfcTcfcTcfcTcfc聲頻范圍： 2020kHz，聲波傳播的區域稱為聲場。自由聲場：聲波傳播不受阻礙，不存在反射所在的聲場?；炻晥觯郝晥鲋懈鼽c的聲音強度相同。噪聲：聲波眾多形態中的一種。從聲波的物理特性來說，是紊亂 或統計上隨機的空氣壓強波動。從聲波對人的干擾來說， 是不需要的聲音，是那些聽起來令人煩惱和不安的聲音。 在機械工程范圍內，按照噪聲起因的不同，可將其分為以下三類： 機械性噪聲。因彈性體機械振動而產生的噪聲，如齒輪，軸承 和殼體振動時發出的噪聲。 氣體動力性噪聲。因氣體振動而產生的噪聲，如風機、

3、內燃機、 各種排氣口等產生的噪聲。 電磁性噪聲。因電磁振動而引起的噪聲，如電動機、變壓器等 產生的噪聲。 8.1.2 噪聲的物理度量聲壓、聲強和聲功率 （1 1）聲壓（有大小無方向，標量）聲壓（有大小無方向，標量） 瞬時聲壓：聲波傳播過程中，聲場中任意一點在當地靜態大氣壓強的基礎上所疊加的波動分量。 瞬時聲壓的線性疊加： Niitptp1 就噪聲測量而言，聲場中某點的聲壓定義為該點的瞬時聲壓的均方根值（有效值），稱為有效聲壓，簡稱聲壓，用p表示。p2又稱為均方聲壓，它們分別寫為： T2dttpT1p T22dttpT1p式中 某時刻； T平均時間。 （2 2）聲強（有大小有方向，矢量）聲強（有

4、大小有方向，矢量）穩態噪聲:聲壓隨時間的變化小于5分貝 非穩態噪聲 聽閾聲壓：頻率為1000Hz，聲壓為 Pa（ ,0dB）的純音痛閾聲壓：120分貝 5102Pa20 聲強是指在聲場中的某一點上，單位時間內通過一個與指定方向垂直的單位面積的平均聲能，以I表示，單位為瓦/米2（w/m2）。在自由場中，相應于聽閾聲壓的聲強為1012，并以此作為聲強的基準。而相應于痛閾聲壓的聲強為1。通常是在單位面積的法線方向上測量聲強 。 T0dttvtpT1I式中 T積分平均時間； P(t)瞬時聲壓； V(t)質點沿指定方向的瞬時速度分量。 （3 3）聲功率）聲功率 聲源的聲功率是指其在單位時間內所發出的聲能

5、，用符號W表示，單位是瓦（W）。聲功率的基準是1012W。 聲功率和聲強的關系： N1iiisIW式中 Ii 對應面積為處的聲強值； 各聲強方向對應的元面積。 isis 一個置于空氣中的聲源，它的聲功率通常是不變的，與周圍的環境無關；而聲壓和聲強是聲源發出的聲音在空氣中傳播時，在聲場內各點產生的效應（壓強的波動和能量的流動），與聲場特性和觀察點有關。 9.1.3 噪聲測量中的級與級的單位分貝（dB） 噪聲強弱的變化范圍是很大，因此，噪聲測量中是采用測量值與基準值之比的對數來表示噪聲的強弱，即聲壓級、聲強級和聲功率級。級是相對量，無量綱，它的單位是分貝（dB）。 （1）聲壓級聲壓級 聲壓級用符號

6、表示Lp。聲壓p對應的聲壓級定義為它與基準聲壓之比的常用對數的20 倍，或它們相應均方聲壓之比的常用對數的10倍。數學表達式為：2020ppp10pp20Llglg式中 p聲壓有效值； P0基準聲壓，在空氣中取P0=20uPa。 (dB)正常人雙耳從聽閾到痛閾相應的聲壓級為0120dB。 （2 2）聲強級）聲強級 聲強級是聲強與基準聲強之比的常用對數的10倍，記為 LI.。0III10Llg(dB)式中 I聲強； I0基準聲強，在空氣中取 2120mW10I 正常人雙耳從聽閾到痛閾相應的聲強級為0120dB。在自由場中，任何一點的聲壓級和聲強級的分貝數是相等的。 （3 3）聲功率級）聲功率級

7、聲功率級是聲源聲功率與基準聲功率之比的常用對數的10倍，記為Lw 0WWW10Llg(dB)式中 W聲強； W0基準聲強，在空氣中取 W10W1209.1.4 聲壓級的疊加、扣除和平均(選講)（1 1）級的疊加）級的疊加 當聲場中有兩個或兩個以上的聲源(不相干)存在時，任何一點的聲壓是所有聲源共同作用的結果。 根據聲波的線性疊加性，聲場中某一點（觀測點）的合成瞬時聲壓pt(t)等于各個聲源（不相干）單獨作用時該點瞬時聲壓pi(t)之和。 N1iittptp dttptpT1pT0N1jjN1ii2t因為各聲源發出的聲波是互不相干的，所以有 ： jipji0dttptpT12iT0jiN1i2i

8、2tpp于是總聲壓級的均方值為：從而得到總聲壓級Lpt為：N1i202i202tptpp10pp10LlglgN1i10Lpi1010 lg202ipipp10Llg10L202ipi10pp式中 Lpi第個聲源單獨發聲時測得的聲壓級。 ,當 且 時，總聲壓級等于較高的聲壓級加上一個增量 2p1pLL2p1pLLLLLL1ppt2122212021202221ptppppp10ppp10Llglg21221p21222021pp110Lpp110pp10lglglg1p2p202120222122LLpp10pp10pp10lglglg因為：10LL21222p1p10pp所以：10LL2p1

9、p10110Llg于是得到：增值 L dB 級差 )(2p1p2p1pLLLL0024681012140.511.522.53分貝增值圖 0 1 2 3 4 5 6 7 8 910 3.00.4)(2p1p2p1pLLLLL dB分貝增值表分貝增值表 例例9-1 9-1 已知L Lp1p1=90dB=90dB，L Lp2p2=95dB=95dB，L Lp3p3=88dB=88dB，試分別用計算法和曲線法求總聲壓級。解解：1) 計算法N1i10Lptpi1010Llg89610101010108810951090.lg2)曲線法 根據分貝增值

10、圖8890級差292.195級差2.996.9dB12L.91L.（2 2）級的扣除）級的扣除 在現場進行噪聲聲壓級測量時，測量結果不可避免的會受到周圍測量環境的影響。因環境有它的本底噪聲（背景噪聲），所以，測量所得的結果，實際是本底噪聲和聲源噪聲聲壓級疊加的結果。為了得到聲源聲壓級的實際大小，必須從測量結果中扣除本底噪聲的影響，進行分貝扣除運算。扣除運算可由疊加運算演變而來。 10L10L202e2tpsopept101010ppp10L/lglg設測得的總聲壓計為 202tptpp10Llg10L202tpt10pp即本底噪聲的聲壓級為 202epepp10Llg10L202epe10pp

11、即于是所求聲源的聲壓級為：LL101110Lpt10LLptpeptlg（2 2）級的平均）級的平均 當需要通過測量聲壓級來確定聲源的聲功率或需要確定聲場的平均聲壓級時，就涉及級的平均問題。平均聲壓級是聲場中各測點的均方聲壓的平均值對應的聲壓級，即 ：N1i10L20N1i2ippi10N110ppN110Llglg2t2e2t202t202e2tpsoppppp10ppp10Llglg2t2ept2t2e202tpp110Lpp110pp10lglglgptpe202t202e2t2eLLpp10pp10pp10lglglg因為：10LL2122pept10pp所以：10LLpept1011

12、10Llg于是得到：9.2 噪聲的頻譜和頻帶9.2.1 窄帶頻譜和聲壓譜級（具有連續頻譜的噪聲） 以頻率為橫坐標，以噪聲中相應的頻率分量的強弱（聲壓、聲壓級，聲強級或聲功率級）為縱坐標而繪制的圖形稱為噪聲頻譜圖（幅值譜），簡稱噪聲譜。它表明了噪聲的頻率結構，即噪聲中包含哪些頻率成分，各頻率分量的強弱，哪些頻率分量對噪聲的貢獻是主要的。 式中Sp(f)表示瞬時聲壓信號p(t)的功率譜密度（單邊譜），即： 2T0ft2jTpdtetpT2fSlim 在噪聲測量中，常用級為單位來度量噪聲功率譜密度的幅值，稱為聲壓譜級。噪聲在某一頻率處的聲壓譜級Lps(f)是指以該頻率為中心頻率，帶寬為1Hz的頻帶內

13、所有聲能的聲壓級。只適用于具有連續頻譜的噪聲。 20ppspHz1fS10fLlg9.2.2 頻帶聲壓級與倍頻程頻譜 因為聲頻范圍為20-20KHz，為了噪聲測量和分析的方便快捷，以及測試分析儀器設計和制造的可能性，把這一頻率范圍分為若干連續頻段。每一頻段稱為頻帶，每一個頻帶都有自己的上限頻率和下限頻率，它們遵循以下倍頻程關系式： ilmihf2f式中 第i個頻帶的上限頻率； 第i個頻帶的下限頻率； m倍頻程數，常用的是m=1，1/3，1/12等。 ihfihfilf 任一頻帶的上限頻率和相鄰的下一個頻帶的下限頻率相等，這叫做鄰接條件。 1ilihff 各頻帶在頻率軸上的位置，用該頻帶的中心頻

14、率來表示，它定義為頻帶上下限頻率的幾何平均值： ihili0fff頻帶寬度Bi則定義為上、下限頻率之間的頻率跨度，即： ilihiffB各參數具有如下關系：i0m1i0f2fi02m2mif22B2m2mi0i22fB或 可見，各頻帶的中心頻率也滿足倍頻程關系。當倍頻程數m決定后，比例帶寬是常數。按此規律劃分的頻帶稱為m倍頻程，按此原則設計的帶通濾波器組稱為m倍頻程式濾波器。噪聲寬帶譜分析常用1倍頻程（習慣上也稱倍頻程，m=1）和1/3倍頻程（m=1/3）模式。于是用一組為數不多的倍頻程式濾波器就可以覆蓋整個聲頻范圍。 噪聲在相應的頻帶的所有分量的均方聲壓值為： ihilffp2fidffSp

15、T0ii02T2fidtBftpT1p,lim噪聲在某頻帶內的均方聲壓對應的聲壓級稱為該頻帶的頻帶聲壓級： 202fiippp10Llg 以各頻帶中心頻率為離散橫坐標，以相應頻帶的頻帶聲壓級為縱坐標作出的圖形稱為噪聲的倍頻程頻譜。 203040506070809031.563125250500100020004000800016000風機噪聲 1倍頻程中心頻率 Hz頻帶聲壓級 dB31.56312525050010002000400080001600040 5080 100160 200315 400 630 800 12501600250031505000630001000012500203

16、0405060708090風機噪聲 1/3倍頻程中心頻率 Hz頻帶聲壓級 dB0500100015002000 Hz10dB風機噪聲的窄帶頻譜 9.3 噪聲的主觀評價 由于人耳對聲音的感受，不僅與聲壓有關，而且還與聲音的頻率有關，一般說來，對高頻聲音感覺比較靈敏，對低頻聲音感覺比較遲鈍。也就是說，聲壓相等而頻率不同的聲音，聽起來是不一樣響的。為了使測量結果能與人的主觀感覺一致，需要制定對聲音強弱進行主觀評價的參量和方法。 9.3.1 寬帶噪聲的主觀評價占據較寬的頻帶的噪聲稱為寬帶噪聲。 常用的主觀評價參數有A聲級，等效連續A聲級，噪聲評價數NR等。 （1 1）聲級和）聲級和A A聲級聲級 為了

17、模擬人耳的聽覺特性，從等響曲線出發，在聲測量系統中設置了一種特殊的濾波網絡頻率計權網絡，噪聲信號在通過網絡時其頻率成分受到加權，使得測量輸出能近似表達人耳對聲音響度的感覺。這樣測量出的聲壓級稱為計權聲壓級（聲級）。通常采用A、B和C三種計權網絡。01010010001000020502005005000200020000-101020-20-30-40-50-60-70AB,C頻率Hz相對響應dBABCA、B、C計權網絡幅頻特性（2 2）連續等效）連續等效A A聲級聲級 等效連續A聲級就是以一個穩定連續的A聲級去表示在一段時間內出現的若干不同A聲級的非穩定噪聲的方法。在這段時間內此A聲級與非穩

18、定噪聲具有相等的A計權聲能。綜合考察了噪聲的響度和作用時間。等效連續A聲級可以視為某個穩態連續噪聲的A聲級，它在測量期間具有和非穩態連續噪聲相等的A計權聲能（瞬時聲壓信號經A計權網絡后的聲能）。 A A計權網絡計權網絡是模擬人耳對40方純音的響度，當信號通過時，其低、中頻段（1000Hz以下）有較大的衰減； B B計權網絡計權網絡是模擬人耳對70方純音的響度，對信號的低頻段有一定的衰減； C C計權網絡計權網絡是模擬人耳對100方純音的響度，在整個頻率范圍內有近乎平直的響應。 幅頻特性對應響度曲線的倒置。常用A聲級。A,B,C綜合應用用于判斷噪聲特性。L計權與D計權。（3 3）噪聲評價數）噪聲

19、評價數NR NR 噪聲評價數NR以1倍頻程頻譜為基礎，同時考慮了噪聲在每個頻帶內的強度和頻率兩個因素。噪聲評價數這一指標主要用于評定噪聲對語言的干擾、聽力損傷和對周圍環境的影響。 9.3.1 純音的主觀評價(選講)（1 1）純音等響曲線）純音等響曲線 純音即單一頻率的聲音，它的瞬時聲壓是正弦波。選取頻率為1000Hz的純音作為基準聲音，將其它頻率的純音與之比較試聽。 （2 2）響度級和響度）響度級和響度 等響曲線中的每一條曲線就表示一個響度級。響度級的單位是方（Phon），用LN表示，在數值上等于等響曲線的序號，即1000Hz純音的聲壓值的分貝值。 對一個給定的聲音，其聲壓每增加10分貝（響度

20、級增加10方），近似對應于人耳感覺聲音的響的程度加倍。 純音等響曲線 9.4 噪聲測量原理和常用儀器（選講）聲級（聲壓）測量系統；聲強測量系統。 示波器磁帶記錄儀信號分析儀 聲級計聲壓級 聲級倍頻程聲壓級傳聲器線性輸出以聲壓測量為基礎的噪聲測量系統 傳聲器（專用的聲學傳感器）將瞬時聲壓信號轉換為電壓信號，聲級計將此電壓信號放大（或衰減）、加權（A、B或C，也可不加權）、倍頻程濾波（附加）、均方根檢波和對數轉換，最后給出噪聲的聲壓級、計權聲級或倍頻程聲壓級；還可以輸出與成比例的電壓信號供監測、存儲和頻譜等分析之用。 9.4.1 9.4.1 測量傳聲器測量傳聲器 測量傳聲器是一種專門用于聲學測量的

21、傳感器，它能在很寬的頻率范圍內不失真地將瞬時聲壓信號轉換為電壓信號。由于傳聲器在聲學測量系統中是拾取噪聲信號的第一個環節。故其性能的好壞，將對聲測量起著十分重要的作用。 理想的測量傳聲器應該滿足以下條件： 1) 與聲波波長相比，傳聲器的尺寸應當很小，不會對聲場產生干擾； 2) 在聲頻范圍內具有具有良好的頻率響應特性，即平坦的幅頻特性和零相移的相頻特性； 3) 動態范圍寬。傳聲器應在很寬的動態范圍內具有恒定的聲壓電壓轉換靈敏度； 4) 性能穩定。 5) 高靈敏度和低的電噪聲。 根據聲壓電壓轉換原理的不同，傳聲器分為磁電式（動圈式）、壓電式和電容式三種。 （1 1）電容式傳聲器的結構和工作原理）電

22、容式傳聲器的結構和工作原理 電容式傳聲器的工作原理實質上就是極距變化型電容傳感器的工作原理。組成電容器的兩個極板之一是一片很輕的彈性金屬膜，它在瞬時聲壓的作用下振動，從而改變了電容器的電容量，并被專門設計的電子線路檢測轉換為電壓。 （2 2）傳聲器的靈敏度）傳聲器的靈敏度 傳聲器的輸出端電壓與作用在振膜上的聲壓之比就是傳聲器的靈敏度，單位是伏特/帕（V/Pa）。當靈敏度用dB表示時，則以1V/Pa為基準作為0dB。靈敏度設計目標：50mV/Pa(-26dB。靈敏度修正值K0（dB）：實際傳聲器靈敏度與靈敏度設計目標的差。 聲壓靈敏度：傳聲器輸出電壓和作用在振膜上的聲壓之比聲場靈敏度：傳聲器輸出

23、電壓和傳聲器置入前聲場該點的聲壓之比 聲學測量傳聲器分為聲場型和聲壓型兩類。聲場型產品型號的尾數為奇數，如CH13等；而聲壓型產品型號的尾數則為偶數，如CH14等。 9.4.2 聲級計 聲級計是噪聲測量最基本和最常用的便攜式儀器，主要用于測量聲壓級、聲級和倍頻程聲壓級。 （1）聲級計的工作原理 按其功能和使用范圍，聲級計可分為普通聲級計，精密聲級計、脈沖（精密）聲級計和積分（精密）聲級計幾類。其工作原理是基本相同。 分貝指示前置放大器輸入衰減器輸入放大器計權網絡輸出衰減器輸出放大器倍頻程濾波器器RMS檢波器外接濾波器器電壓輸出傳聲器組合測量放大器傳聲器聲級計的工作原理框圖 采用兩套衰減放大器的

24、目的是為了保證在120dB或更大的動態范圍內測量系統有良好的線性和高的信噪比。 （2 2）聲級計的校準）聲級計的校準為確保測量結果的準確度和可靠性，聲測量系統應當定期校準。 校準可以分別對傳聲器和聲級計本體（測量放大器）進行，也可對整個聲級計系統進行。 實際噪聲測量中，常采用系統校準的方法，就是對傳聲器和測量放大器的組合靈敏度作綜合校準（由于是整個系統的校準，無需考慮傳聲器靈敏度修正值K0）。 常用活塞發聲器校準法（精確、可靠而又簡單）。活塞發聲器通過凸輪驅動一對獨立而又對稱的活塞運動，在耦合腔內產生一個高穩定度的無畸變的正弦聲壓，聲壓作用在傳聲器上，調節聲級計或測量放大器的靈敏度電位器，使輸

25、出指示為給定分貝值，整個聲測量系統就校準好了。 校準時，應修正大氣壓力的影響，及將計權網絡置于線性位置。9.5 工業噪聲的測量9.5.1 一般現場測量 現場噪聲測量主要是A聲級測量和倍頻程頻譜分析，必要時可將信號記錄下來，隨后再做全面分析。 對某臺設備的噪聲測量是沿一條包圍設備的測量回線進行的。傳聲器的高度應以機器的半高度為準，或選取機器的水平主軸的高度（但距地面均不得小于0.5米），或選取1.5米（人耳平均高度）。 一般情況下沿測量回線選取若干點進行測量（一般不小于4點）。測量時，傳聲器（一般為聲場型）應正對機器的外表面，使聲波正入射，其投影應落在測量回線的測點上。測點應遠離其它設備或墻體等

26、反射面，距離一般不小于2米，在各測點測量噪聲的A聲級（有時也輔以聲壓級）。當相鄰兩點所測得的噪聲級差大于5dB時，則應在其間增加測點。以所測得的最高A聲級dB(A)為該機器噪聲大小的評價值?，F場噪聲測量時應當扣除本底噪聲對測量結果的影響。 9.5.2 聲強測量 和聲壓測量相比，聲強測量的最大優點是測量結果幾乎不受環境噪聲的影響，此外，由于聲強是矢量，它在噪聲源定位方面的優越性也是聲壓測量不可比的。 （1 1）聲強測量原理）聲強測量原理 tvtpIrr平均聲強：dtrpp1dtrp1vABr2pppBA dtppppr21IABBAr fSIrf21fIABmrpA,pB分別為相距 的兩點的瞬時

27、聲壓； 為pA,pB互譜的虛部。r fSIABm因為：所以：對瞬時聲壓pA,pB分別作有限傅里葉變換，并得到其互譜，有： （2 2）聲強測量儀器）聲強測量儀器 1）聲強探頭 ABPAPBr聲強探頭示意圖 增大，測量頻率上限降低，下限向低端擴展，整個測量頻率范圍向低端移動； 減小，測量頻率上限向高端擴展，下限升高，整個測量頻率范圍向高端移動；兩通道之間的相位失配量越小，測量頻率范圍的下限也越低， 在一定時（上限頻率一定），減小的相位失配量可得到較寬的測量頻率范圍。 rrrPA輸出PB輸出定距柱傳聲器A傳聲器B前置放大器聲強正向手柄前置放大器2）聲強計 前置放大器前置放大器1倍頻程1倍頻程A/D變換器A/D變換器積分平均Irvrvr p+_ pA pB聲強探頭模擬式聲強計l2pppBA3 3）數字式聲強分析系統）數字式聲強分析系統 工作原理是用FFT算法計算兩通道聲壓信號的互譜再進行頻域幅值積分（除以角頻率），從而得出窄帶聲強