声学测量分析技术方案

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声学测试分析技术方案

一、 声压

声波传播过程中,空气质点也随之振动,产生压力波动。一般把没有声波存

在时媒质的压力称为静压力,用0p 表示。有声波存在时,空气压力就在大气压

附近起伏变化,出现压强增量,这个压强增量就是声压,用p 表示。

声压的单位就是压强的单位,在SI 单位制中,面积S 的单位是2米,力F 的

单位是牛(顿),其声压的单位是2牛/米,记为2/N m ,或称为帕(斯卡),记为

Pa ,其辅助单位为微巴,记为bar μ(2/达因厘米,2/dyn cm )。换算关系为:

2211/10/10Pa N m dyn cm bar μ=== (1—3)

与大气压相比,声压是相当小的。在1000赫时的可听声压范围大约在

0.0002~200微巴之间。

声压随时间起伏变化,每秒钟内变化的次数很大,传到人耳时,由于耳膜的

惯性作用,辨别不出声压的起伏,即不是声压的最大值起作用,而是一个稳定的

有效声压起作用。有效声压是一段时间内瞬时声压的均方根值,这段时间应是周

期的整数倍。有效声压用数学表示为

p = (1—4) 式中 T ——周期;

()p t ——瞬时声压;

t ——时间。

对于正弦声波m p p =,m p 为声压幅值,即最大声压。在实际使用中,

若不另加说明,声压就是有效声压的简称。

二、 声压级p L

一个声音的声压级是这个声音的声压与基准声压之比的以10为底的对数的

20倍,即o

p p p L lg 20= (1-11) 式中 p L ----声压级,分贝;

p -----声压,帕;

o p ----基准声压,取o p =20微帕。

有了声压级的概念,就可把由声压值表示的数百万倍变化,改变为0~120

分贝的变化范围。

三、 声学频谱

声频范围很广,从低频到高频变化高达1000倍,一般不可能,也没有必要

对每个频率逐一测量,为方便和实用上的需要,通常把声频的变化范围划分为若

干个较小的段落,称为频程,或频段、频带,一般它是两个声或其信号频率间的

距离。频程有上限截止频率值、下限截止频率值、中心频率值和上下限截止频率

之差。上、下限截止频率之差即是中间区域,称为频带宽度,简称带宽。

一般频程以高频与低频的频率比的对数来表示,此对数通常以2为底,其单

位称倍频程。即

n f f 212= 或 ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=122log f f n (1-15) 式中 1f 、2f ----成倍频程关系的低频和高频频率,即下、上限截止频率;

n ---------两个频率相比的倍数。

n 可以是任意正实数,n 越小,分的越细,频程越短,测量所需时间就越多,

当n =1时,即两个频率相距1倍时,称倍频程,简称倍频程;当3/1=n 时,称3

/1

倍频程,依此类推。

在倍频程中,频程间的中心频率之比都是2:1,其中心频率是上、下限的

几何平均值,即

21f f f o =

四、 计权声级

声波的性质主要由声强大小、频率高低和波形特点决定。人们的听觉也是由

于对声音强、弱、调子高低和音色产生微妙的差异才能分辨出各种不同的声音。

所以确定物理量数值与主观感觉的关系是必要的。设置计权网络,通过对人耳敏

感的频率加以强调,对人耳不敏感的频率加以衰减,就可以直接读出反映人耳对

噪声感觉的数值,使主客观量趋于统一。

常用的计权网络A 、B 、C 三种。目前还出现()12D D 、D 、E 和SI 几种计权,

一般采用A 计权网络。

A 计权网络是效仿倍频程等响曲线中的40方曲线的反曲线而设计的。它较

好地模仿了人耳对低频(500赫以下)不敏感,对1000~5000赫声敏感的特点。

用A 计权测量的声级来代表噪声的大小,称为A 声级,记为分贝(A ),或dBA 。

五、 信号处理过程的加窗与平均

常用窗函数

在对信号进行频域处理时,先要对数据加窗选取,以减小谱的泄露。

常用的几种窗函数如下:

(l)矩形窗

矩形窗属于时间变量的零次幂窗,函数形式为

(1-28)相应的窗谱为:

(1-29)矩形窗使用最多,习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗.这种窗的优点是主瓣比较集中,缺点是旁瓣较高。

(2)汉宁(Hanning)窗

汉宁窗又称升余弦窗,其时域表达式为:

(1-30)相应的窗谱为:

(1-31)汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和,或者说是3个sine(t)型函数之和,而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了π/T,从而使旁瓣互相抵消,消去高频干扰和漏能。

(3)海明(Hamming)窗

海明窗也是余弦窗的一种,又称改进的升余弦窗,其时间函数表达式为:

(1-32)其窗谱为:

(1-33)海明窗与汉宁窗都是余弦窗,只是加权系数不同。海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。分析表明,海明窗的第一旁瓣衰减为一42dB.海明窗的频谱也是由3个矩形时窗的频谱合成,但其旁瓣衰减速度为20dB/(10oct),这比汉宁窗衰减速度慢。海明窗与汉宁窗都是很有用的窗函数.

除了以上几种常用窗函数以外,尚有多种窗函数,如平顶窗、帕仁(Parzen)窗、布拉克曼(Blackman)窗、凯塞(kaiser)窗等。

窗函数的选择应考虑被分析信号的性质与处理要求.如果仅要求精确读出主瓣频率,而不考虑幅值精度,则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗;如果分析窄带信号,且有较强的干扰噪声,则应选用旁瓣幅度小的窗函数,如汉宁窗、三角窗等;对于随时间按指数衰减的函数,可采用指数窗来提高信噪比. 平均方式

数字信号处理中,根据研究目的和被分析信号的特点,常使用以下几种平均

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