第四章 噪声测试和监测

4.2声强及声功率测量
4.2.1 声强测量及应用 运用加（减）法器、乘法器和积分器等电路模块， 就可根据式（4-2），求出声强平均值。 互功率谱方法也是计算声强的一种通用方法。 声强测量的用处很多，由于声强是一个矢量，因此 声强测量可用来鉴别声源和判定它的方位，可以画 出声源附近声能流动路线，可以测定吸声材料的吸 声系数和墙体的隔声量，甚至在现场强背景噪声条 件下，通过测量包围声源的封闭包络面上各面元的 声强矢量求出声源的声功率。 目前，大致有三类声强测量仪器：
A i Si Ai
i i
右式第一项为所有壁面吸收量的总和，第二项是室内 各个物体吸收量的总和。
4.直达声场 设点声源的声功率是W，在距点声源r处，直 达声的声强为： QW Id = 2
4πr
式中：Q---指向性因子。
距点声源r处直达声的声压pd及声能密度Dd为： ρcQW 2=ρcI = pd d 4πr2
4.2.2 声功率的测量
声源的声功率是声源在单位时间内发出的总能量。 它与测点离声源的距离以及外界条件无关，是噪 声源的重要声学量。 测量声功率有三种方法：混响室法、消声室或半 消声室法、现场法。
一、室内声场
为便于分析研究，通常把房间内的声场分解成两部 分：从声源直接到达受声点的直达声形成的声场叫 直达声场；经过房间壁面一次或多次反射后到达受 声点的反射声形成的声场叫混响声场。声音不断从 声源发出，又经过壁面及空气的不断吸收，当声源 在单位时间内发出的声能等于被吸收的声能，房间 的总声能就保持一定。若这时候房间内声能密度处 处相同，而且在任一受声点上，声波在各个传播方 向作无规分布的声场叫扩散声场。 一些大的厅堂里欣赏音乐，常产生有“余音绕梁， 三日不绝”的感受，这就是混响造成的效果。
但是当离声源中心的距离r在6米以外时，声压级就 基本上与距离无关了，这时声压级主要就由房间常 数R决定。 由此可知，离声源近时，直达声场占主要地位。当 离声源中心的距离逐渐增大时，房间的影响逐渐增 强。当距离增加到一定程度时，房间内的混响声场 转为占主要地位。
图中的R＝∞直线即为自由场中直达声随距离的衰减。 以R＝1000m2的曲线为例，从图中可以看出，假定无 指向性声源放在两壁面边线的中心，即Q＝4，当离声 源中心的距离在4米以内时，声压级与声源放臵在室外 露天相差不到1分贝，即以直达声为主。当离声源中心 的距离足够远时，如r＝10米，声压级基本上与距离无 关，这时主要由房间常数R确定，即混响声占主要成 分。对于同一位臵，随着R的增大声压级将逐渐降低。
7.混响半径
由式（7－34）可知，在声源的声功率级为定值时， 房间内的声压级由受声点到声源距离r和房间常数R 决定。当受声点离声源很近时，Q/4πr2远大于4/R， 室内声场以直达声为主，混响声可以忽略；当受声 点离声源很远时， Q/4πr2远小于4/R，室内声场以混 响声为主，直达声可以忽略，这时声压级Lp与距离 无关； 当Q/4πr2=4/R时，直达声与混响声的声能相等，这 时候的距离r称为临界半径，记作rc： rc=0.14√QR 当Q=1时的临界半径又称为混响半径。
（2）混响时间
在混响过程中，把声能密度衰减到原来的百万分之 一，即衰减60dB所需的时间，定义为混响时间。 a 只考虑壁面吸声时 W.C.Sabine通过大量实验，首先得出混响时间T60 的计算公式（即Sabine公式）：
0.161V 0.161V T60 A S
α<0.2, f <2kHz
6.声级计的校准
为保证测量的准确性，声级计使用前后要进行 校准，通常使用活塞发生器、声级校准器或其 他声压校准仪器对声级计进行校准。
使用声级计测量应注意的事项 （1）背景噪声的影响：背景噪声会影响测量准确性。 （2）反射声的影响：声源附近或传声器周围有较大 的反射体时，会给测量带来较大的误差。如墙壁、 地面、机械设备、人体等都是反射体。测量时，传 声器应尽量远离反射体，最好距离在1米以外。 （3）环境的影响：在野外测量时，风吹到传声器使 膜片上的压力发生变化，从而引起风噪声，影响测 量的准确性。此时可使用风罩。
1、平均自由程 设混响声场是理想的扩散声场。在室内声场中， 声波每相邻两次反射所经过的路程称作自由程。 室内自由程的平均值称为平均自由程（d）。
式中：V－房间容积；
4V d S
S－房间内表面面积。
当声速为c时，声波传播一个自由程所需时间τ为：
d 4V c cS
故单位时间平均反射次数n为：
声级计一般由传声器、放大器、衰减器、计权 网络、检波器和指示器等组成。
1.传声器 这是一种将声压转换成电压的声电换能器。 2.放大器 声级计的放大器部分，要求在音频范围内响应平直， 有足够低的本底噪声，精密声级计的声级测量下限 一般在24dB左右。 声级计内的放大器，要求具有较高的输入阻抗和较 低的输出阻抗，并有较小的线性失真，放大系统一 般包括输入放大器和输出放大器两组。
pd2
Dd=
ρc2
=
QW
4πr2c Q
相应的声压级Lpd =LW + 10lg( 4πr2 )
5. 混响声场 设混响声场是理想的扩散声场。自声源未经反射直接 传到接收点的声音均为直达声。经第一次反射面吸收 后，剩下的声能便是混响声。故单位时间声源向室内 贡献的混响声为W(1-α)，这些混响声在以后的多次反 射中还要被吸收。
3.衰减器 声级计的量程范围较大，一般为25~130dB。但检波 器和指示器不可能有这么宽的量程范围，这就需要 设臵衰减器，其功能是将接到的强信号给予衰减， 以免放大器过载。 为了提高信噪比，将衰减器分为输入衰减器和输出 衰减器。输入衰减器放在第一组放大器前面．作用 是将接收的强信号衰减，不使输入放大器过载。由 于输入衰减器不能降低第一组放大器所产生的噪声， 信噪比指标不好，而输出衰减器接在第一组放大器 和第二组放大器之间，获得的信噪比指标好，所以 使用时输出衰减器尽量处在最大衰减位臵。
Dr=
4W（1-α） cSα
设
S R 1
式中：R---房间常量， 则：
4W Dr cR
由此得到，混响声场中的声压 pr2为： 相应的声压级 L p
4 cW p R
2 r
r
4 L pr LW 10 lg R
6.总声场
把直达声场和混响声场叠加，就得到总声场。总声 场的声能密度D为：
S S
i 1 i i壁面单位面积的吸声能力，材料实 际吸收声能的多少，除了与材料的吸声系数有关外， 还与材料表面积大小有关。吸声材料的实际吸声量按 下式计算： A= αS 单位是m2。 房间中的其他物体如家具、人等，也会吸收声能，而 这些物体并不是房间壁面的一部分。因此，房间总的 吸声量A可以表示为：
设混响声能密度为Dr，则总混响声能为DrV，每反射一 次，吸收DrVα，每秒反射cS/4V次，则单位时间吸收的 混响声能为DrVα cS/4V。
当单位时间声源贡献的混响声能与被吸收的混响声 能相等时，达到稳态，即： cS W (1 ) DrV 4V 因此，达到稳态时，室内的混响声能密度为：
4.滤波器 所谓滤波器就是把所需要测量的声音频谱划分 成许多频带，可以逐次允许某一频带声音通过， 而将其余成分声音滤去。
声级计中的滤波器包括A、B、C、D计权网络 和1/1倍频程或1/3倍频程滤波器。
5.声级计的主要附件
（1）防风罩：在室外测量时，为避免风噪声对测量 结果的影响，在传声器上罩一个防风罩，通常可降 低风噪声10~20dB。 （2）鼻形锥：若要在稳定的高速气流中测量噪声， 应在传声器上装配鼻形锥，使锥的尖端朝向来流， 从而降低气流扰动产生的影响。 （3）延长电缆：当测量精度要求较高或在某些特殊 情况下，测量仪器与测试人员相距较远。这时可用 一种屏蔽电缆连接电容传声器和声级计。
第四章 噪声测试和监测
4.1 测量仪器 4.1.1 声级计
在噪声测量中声级计是常用的基本声学仪器。它是 一种可测量声压级的便携式仪器。 表4-1 声级计分类
类型 0 精度 用途 ±0.4dB 实验室标准仪器 精密级 Ⅰ ±0.7dB 声学研究 Ⅱ ±1.0dB 现场测量 普通级 Ⅲ ±1.5dB 监测、普查
这种声能密度增长过程的长短与室内吸声的情况有 着密切的关系，吸声作用愈强，这种增长过程就愈 快。当声源停止发声，声音将比较慢地衰减下去。 实线表示房间内反射很强时，声能密度衰减的过程； 虚线则表示房间内表面的吸声量增加到不同程度的 情况，不难看出，房间内吸声作用愈强，声能的衰 减过程(混响过程)也愈短。
cS n 4V 1
2、平均吸声系数 当声波在室内碰到壁面（包括天花板与地板）时， 如果壁面并非刚性，它对声波具有一定的吸声能力， 那么一部分入射声波就要被壁面吸收，被壁面所吸 收的能量与入射能量的比值称为壁面的吸声系数αi。 设对应于某吸声表面积Si的吸声系数为αi ，如果对 室内所有的吸声表面的吸声系数进行平均，则可得 到室内平均吸声系数为
8.室内声衰减和混响时间 （1）室内声能的增长和衰减过程 当声源在房间内辐射出声波时，声波在空间传播， 当遇到界面时，部分声能被吸收，而剩余的部分 被反射。在声波连续传播时，声波会第二次、第 三次以至于更多次地被吸收和反射，这样在房间 内就形成了一定的声能密度。
一个声功率恒定的声源在房间内开始发声，不断辐射 出声能后，由于声波被限制在房间内传播，因此房间 内的声能逐渐累积起来，各处的声能密度随时间逐渐 增大。但是当声波在房间中传播时，由于壁面和空气 的吸收作用，声能不断地被吸收。很明显，声能密度 愈大，沿一定方向传播的声强愈强，被吸收掉的声能 也就愈多。由于单位时间内从声源发出的声能是恒定 的，当声能密度随时间增大时，被吸收掉的声能就逐 渐增多，可供累计的声能也就逐渐减少，声能密度随 时间的增加相应地愈来愈慢。最后，当声源发出的声 能等于被吸收掉的声能时，声能密度就达到了稳定的 状态。如图左侧曲线。从理论上讲，达到稳定的状态 要经过“无穷长的”时间，实际上从图看出，只要经 过1~2秒钟就与稳定状态很接近了．