声学测量

LW Lp 10lg S0
其中，包络面总面积
S0 Si
i 1 n
平均声压级：
1 n 0.1Lpi Lp 10lg[ 10 ] n i 1
4、声管测量材料性能

脉冲管法 驻波管法 传递函数法


１、脉冲管法（水声测量）
脉冲管主要用来测定无源材料的复 反射系数，由此可以导出材料的其他声 学特性参数，如声阻抗、纵波声速、衰 件系数等，也可以用来测量插入损失IL和 回声降低Er。
（1）驻波管法设备框图
信号发生器 功放
传声 放大器
滤波器
扬声器
探针式传声器
样品
（2）对测量设备的要求
对驻波管的要求
1）内壁光滑而坚硬，截面均匀 2）圆形管，内径＜0.586 3）矩形管，长边边长＜0.5 其它要求在水声中与脉冲管近似。
（3）复反射系数的测量 在给定的频率上，调整探针传声器沿管轴 移动，测出第一个和第二个声压极小值的位置 以及声压的极大值和极小值，有：
px pi e jkw x Rpi e j (kw x )
px pi 1 R 2R cos2kw x
2


px pi 1 R 2R cos2kw x
2


cos2k w x 1， px Pmax
j
1 Re Z in w C w j 1 Re
式中，
w , cw
声管中水的密度与声速； R, 样品反射系数的模与相角。
wC w 1 Re c j d d 1 Re j d j
c
j
th(d j

d)
（声软末端）
wC w 1 Re j j j d 1 Re
j
c
Z in j
cth (d j
பைடு நூலகம்

c
d)
（声软末端）
Z in j
j
c
th(d j

c
d)
（声硬末端）
材料的纵波声速；
式中， Z in 样品输入阻抗； 材料的衰减系数； c 角频率； 材料密度。 d 样品厚度；
由样品前界面的反射系数可求出样品的输入阻抗为:

混响室


在所有边界上能全部反射声能，并在其中充分扩散，能形成 在各处能量密度均匀、在各传播方向作无规分布的扩散场的 房间 可用来测量声源声功率、材料吸声系数等 房间表面尽量不规则，以使混响时间尽量长，保证声能充分 扩散
混响室法声源的声功率
混响室：一间体积较大（大于200 m3)，墙的隔声和 地面隔振都很好的特殊实验室，壁面坚实光滑，反射 系数大于0.98，则室内离声源r点的声压级为：
Rθ声源的指向性因数（取决于与声源与接收点的相对 关系） a.当声源在房间中央，以球面方式辐射，Rθ =1 b.以半球面方式辐射，Rθ=2 c. 声源置于两墙面交接上，以1/4辐射，Rθ=4
注意：在混响室内只要离开声源一定的距离，即在混 响场内，与房间有关的反射声压远大于直达声压。
公式可近似写为：
cos2k w x 1， px Pmin
如果设
px max px min
s
S是驻波比
则，
1 R s 1 R
而相位角可由第一个极小值的位置来确定： 因为
cos2k w x 1， px Pmin
所以，
4x0 w
传声器的频率响应：指在某一确定的声场中，声波
以一指定的方向入射，并保持声压恒定时，传声器的开路
输出电压随频率变化的曲线。根据使用的场合不同可分为
●自由场频率响应：传声器置于自由声场中，其平面自由 场灵敏度随频率变化的曲线。 ●声压频率响应：当传声器的声压灵敏度与频率之间的关 系以声压灵敏度频率响应曲线来表示。
但是，通过测量驻波管中的波长求相位角精度不高。
所以，通过测量两个极小值点的方法可以得到相位角。
4x0 w
4x1 3 w
所以，
w 2x1 x0
2 x0 1 x x 1 0
３ 传递函数法（双水听器驻波管法）
灵敏度
指向性
频率响应
有效频 率范围
输出 阻抗
动态 范围
传声器的灵敏度：
*声场灵敏度
—平面自由声场灵敏度
—扩散声场灵敏度
*声压灵敏度
传声器平面自由声场灵敏度 是指在给定频率的正弦声波 激励下，传声器的开路输出 电压与传声器放入声场以前 传声器中心位置上平面自由 声场声压之比
传声器声压灵敏度是 指实际作用在传声器 膜片上的声压与其开 路输出电压之比
1
水听器
在给定的测试频率上，分别测出放与不放样品时 换能器收到的第一次反射脉冲幅值 A 和A 以及相应 的相位 和 ，则有：
1 2
1
2
R A1 / A2
1 2
4fd 1 2 C2
（声软末端）
（声硬末端）
（５）纵波声速c和衰减系数 的测量
根据传输线理论，被测样品从声波入射方向看进去的阻抗为：
· 形状 圆柱形，平板样品。 · 尺寸 使样品与声管内壁之间间隙＜0.2mm。 ~ · 厚度 在 0.3 ~ 0.6 范围内， 为声波在样品中传播 的波长。 · 表面 平整，厚度一致。
对标准反射体的要求 · 一般采用不锈钢。 · 厚度为测试中心频率的 四分之一波长。
（４）复反射系数的测量
cth(d j

c d d j c
d)
（声硬末端）
如果对于声软末端，若设 u d , v d / c 则
th(u jv) j R0 jX 0 u jv
wC w 1 R R0 2 d 1 2 R cos R
2
wC w 2 R sin X0 d 1 2 R cos R 2
——动圈式传声器 ——带式传声器
电动传声器是以电磁 感应为原理，以在磁 场中运动的导体上获 得输出电压的传声器， 常见的有动圈式和带 式两种
静电式：
——压电式传声器 ——电容式传声器
*驻极体传声器
静电传声器是以电 场变化为原理的传 声器，常见的有电 容式和压电式两种
③按与音响设备连接方式分 有线传声器 无线传声器
当测得
R, 后，即可得出 R0 , X 0 。
vthu(1 th 2 v) uthv(1 th 2 u ) R0 2 2 2 2 (u v )(1 th uth v)
uthu(1 th 2 v) vthv(1 th 2 u) X0 (u 2 v 2 )(1 th 2 uth2 v)
第二部分 声学测量
1、声学测量的分类、难点 2、换能器、传声器、测量仪器 3、混响室、消声室测量材料性能 4、声管测量材料性能 5、应用类及外场测量 6、声阵列测量 （声全息、波束形成）
7、声振联合测量（传递路径分析）
1、声学测量的分类和难点
为声学特性研究 声学特性研究 按目的分类
媒质特性研究 声波发射与接收的研究 测量方法与手段的研究 声学设备的研究
（２）脉冲管法对设备的要求

对声管的要求

对换能器的要求

对电子仪器的要求
对声管的要求
· 管材 金属（最好为不锈钢），弹性模量应较大。 · 管壁厚 应大于等于内半径，即 。 · 管内径 根据声波导理论，应为
1.8 4c w 2f H
ba 1 a
(b外径，a内径)
，约为λ/4。
· 管长 由声波导理论，应为
5c w 2 fL
，约为5λ.
· 管中应充满除气、清洁的蒸馏水。
· 管垂直度 应用水平仪进行校准。
对换能器的要求



声功率 在使用频率范围内，有稳定的声功率输出。 辐射 应为平面波，采用平面活塞式使振动速度轴 对称分布。 安装 与刚管间有良好的声学隔离，以减弱换能器 激发管壁振动。
对样品的要求
传声器输出阻抗：每只传声器都有一定的内阻抗，从输出端测得
的内阻抗的模就是传声器输出阻抗。一般以频率为1000Hz的阻抗值为
标称值。
传声器的动态范围
指传声器所能接收声音的大小，以传声器的最高声压级减去等效噪声 级就是该传声器的动态范围。 其上限受到失真的限制，下限受到固 有噪声的限制。
3、混响室、消声室测量材料性能
自由声场灵敏度在消声室采用互易法校准，声压灵敏度 在耦合腔中采用互易法校准。
传声器的指向性：传声器的灵敏度随声波入射方向而
变化的特性。传声器的指向性常用指向性图、指向性 指数和指向性频率响应来表示。 ●传声器指向性图：在某一频率下的灵敏度随声波入射 角的变化，用极坐标表示所得的曲线。 ●传声器的指向性因数：传声器某一频率的正向自由场 灵敏度的平方与其同频率的扩散场灵敏度平方之比。 用对数表示则为传声器的指向性指数 。
●扩散场频率响应：当传声器的扩散场灵敏度与频率之间
的关系，以传声器扩散场灵敏度频率响应曲线来表示
有效频率范围：某一传声器它的实际频响曲线与典型频响曲线相
比，偏差在允许的范围内的最大频率间隔。对于每一类型的传声器， 生产厂家都要给出一个典型的频率响应曲线的范围，并且为了保证其 产品一致性，还需要规定实际频响曲线与典型频响曲线允许的误差。
s 1 R s 1
2 x0 ( 1) x1 x0
(其中s pmax / pmin )
( x0 , x1为第一、二声压极小值
的位置）
推导: 声管中距离样品x处的声压：
px pi e
而复反射系数有：
jkw x
jkw x ˆ Rpi e
j ˆ R Re
所以，
式中：Lw —— 声源的声功率级； R —— 房间常数； Rθ—— 声源的指向性因数 其中 4 反射声压， R 2 直达声压
R
4 r
R 4 Lp Lw 10 lg[ ] 2 4r R
房间常数 R表示这个房间对声音的处理能力，与房 间的墙面面积和吸音能力有关。
S a R 1 a 式中S——混响室内各面的总面积 a——平均吸声系数
传声器扩散声场灵敏度是 指传声器的开路输出电压 与传声器放入扩散声场之 前在传声器放置位置上的 扩散声场声压之比
声压灵敏度与声场灵敏度的区别： •两者的频响曲线不同，特别在高频端。 •使用场合不同 平面自由场灵敏度用于消声室等自由场环境下测试，而 扩散声场灵敏度则使用于扩散场中，声压灵敏度用于仿 真耳等腔室内测量使用。 •校准方法不同
4 Lp Lw 10 lg[ ] R 混响场内，实际声压级不是完全相等的，必须取几 个测点的声压级，求平均值 Lp 被测声源的声功率级为：
4 Lw Lp 10 lg[ ] R
注意： Lp 的计算
1 n 0.1L pi Lp 10lg[ 10 ] n i 1
消声室法测声功率
将声源放置在消声室或半消声室内进行测量的方 法。 消声室：与混响室正好相反，内壁装有吸声材料 能吸收98%以上的入射声能。消声室内的声场称为自 由场。 测量方法： 测量时设想有一包围声源的包络面，将声源完全 封闭其中，将包络面分为 n个面元，每个面元的面积 为ΔSi,测定每个面元上的声压级Lpi,则得：
这样，即可解得 u , v ，进而得到纵波声速c和衰减 系数
２、驻波管法
驻波管也是无源材料性能参量测试中 常应用的一种装置。工作时，由管的一端 换能器发射连续声信号，被样品反射后在 管中形成驻波，采用可移动的探针式换能 器测量管中驻波参数，即可确定被测样品 的复反射系数、法向吸声系数和法向声阻 抗率等参量。

全消声室

六个面全铺设高效吸声材料的房间 模拟近似自由场环境，没有反射声 可用于测量：声源声功率；辐射声源的指向特性等 对高频声的吸收效果明显；对低频声的吸收取决于房间体积 及吸声材料的厚度等特性

半消声室

五个面铺设吸声材料，地面为光滑反射面的房间 模拟半自由声场空间 适用于对大型设备和机器进行声学测试
声 学 测 量
为声学性能评价、和改善
声学特性评价 媒质特性评价
实验室测量
按实验设备、场所分类
外场测量
声学测量难点：
*环境因素影响大 *测量信号复杂 *测量空间多样 *测量精度低、量值传递误差大 *测量频域范围宽 *外场实验困难 *测量结果多用分贝表示
2、换能器（声源）、传声器、测量仪器
②按工作原理分 电动式：