噪声第三章-噪声源的测量

（2）混响室法
混响室内有直达声场和反射声场共同作用。
Lw Lp 10 lg(aS ) 6.1
aS-室内总吸声量， 考虑空气吸收对高频声的影响，则：
Lw Lp 10 lg(aS 4mV) 6.1
m-空气吸收衰减系数；V-混响室体积
2.声强法
原理：W=I·S，只要测量出声强的平均值即
我国颁布的测试标准
按测量精度分为：精密级、工程级和简易级。 按测试方法分为：声压法、声强法、和振速法。 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 测试环境
精密法 （1级） 半消声室
工程法
简易法
（2级）
（3级）
室内或室外 室内或室外
声源体积
对背景噪声 的限定 测量数目
金属膜片
(3) 压电式传声器
壳体
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
绝缘材料
双压电晶体 弯曲梁
后板
输出
静压力平衡管
图 8.8 压电式传声器原理图
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。
3.2 声源的频谱测量
小于测试室 体积的5% △L≧10dB
≧10
无限制 △L≧6dB
≧9
无限制 △L≧3dB
≧4
1.声压法
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。
声压法可分为自由声场法和混响室法 两类。
（1）自由声场法
产生自由声场的环境可以是消声室或 半消声室。
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。
F [(p0 p) p0]S pS
压强式传声器
➢ 在此力作用下，振膜产 生振动，使双压电元件 也产生变形，在压电元 件梁端面产生电荷。
➢ 振动转化成电信号输出。
➢ 测得这个输出信号就可 求出声场中对应的声压
理想的测量传声器应该满足以下条件
➢ 1) 与声波波长相比，传声器的尺寸应当很小，不 会对声场产生干扰；
测量点的布置
固定传声器位置： 平行平面内同轴的圆形路径 子午线移动 螺旋线路径 其他传声器排列
测量点的布置
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 数是足够的。
测量点的布置
平行平面内同轴的圆形路径：
k0
An：离散傅里叶变换的第n个系数；
Xk：具有N次采样时间顺序的第k个采样值；
W e j 2 N
n、k=0,1,~~~,N-1
3.2.1 快速傅里叶变换（FFT）
➢
离散傅里叶逆变换（IDFT）：Xk
wk.baidu.com
1
N
N 1
(AnW kn )
n0
➢ 离散傅里叶变换的一个重要性质是采样序列的离 散傅里叶变换和采样值所表示连续波形的傅里叶 变化之间有直接对应的关系；
f 1
*
f2
频率分析仪通常分两类：
一类是恒定带宽分析仪；
✓ 用一固定滤波器，用外差法将信号频率移到滤波器的中 心频率处，因此带宽与信号频率无关；
➢ 另一类是恒定百分比带宽分析仪；
✓ 噪声测量中使用，其滤波器的带宽是中心频率的一个恒 定百分比值，故带宽随中心频率的增大而增大；
✓ 有倍频程和1/3倍频程频率分析仪。
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
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
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。
➢ 采用FFT来计算离散傅里叶变换，推动了频谱、相 关函数、功率谱等技术的实际应用。
3.2.2 窗函数
➢ 在声信号处理中，窗函数是一种在给定区间之外 取值均为0的实函数。
➢ 例如，在给定区间内为常数而在区间外为0的窗函 数被称为矩形窗；
➢ 目前普遍使用的窗函数多达数十种，如汉宁窗、 平顶窗、矩形窗、力窗、指数窗等；
无指向性声源辐射声功率的测量
LW Lp 20 lg r 11(dB)
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1/4
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：
➢ 相对于傅里叶分析，小波分析正在或已经更为有 效地应用于瞬态噪声信号分析、声信号分离、声 信号特性提取、声源鉴别等领域。。
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=W/S=pe·ue
2.声强的测量原理
➢ 在频率响应函数测试中对脉冲响应信号使用指数 窗，以防止信号截断现象，减少功率泄露，提高 信噪比。
3.2.3 滤波器
➢ 频谱分析仪的核心——滤波器；
➢ 带宽为f2-f1。
➢ 频率f1和f2处输出比中心频率f0小3dB，称之为 下线和上线截止频率。
➢ 中心频率f0与截止频率f1，f2的关系为：f0
聊城大学环境与规划学院
第三章 噪声源的测量
李聪
licong@lcu.edu.cn 2013.10.15
本课内容
3.1 声压的测量 3.2 声源的频谱测量 3.3 声强及声功率测量 3.4 测量仪器
本课的重点难点
声功率的测量原理（理解） 声级计的构造功能原理（掌握）
概述
为了评价和控制噪声，必须对噪声源进行测量
电容传声器等效电路图
c s 电容计算公式： 4kd
式中k为静电力常量，ε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。
电容传声器优缺点
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。
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。
永电体式传声器（又称驻极体式），工作原理与电 容式传声器相似，其特点是尺寸小、价格便宜，可 用于高湿度的测量环境，也可用于精密测量。
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。
（2) 动圈式传声器
振膜
磁铁
线圈 磁铁
壳体 阻尼罩
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。
3.2.4 小波分析技术
➢ 窗口傅里叶分析：对不同的频率成分，在时间域 上的取样步长均相同；
➢ 小波分析：对不同频率成分在时间域上的取样步 长是具有调节性的，高频者小，低频者大；
➢ 优于傅里叶分析的一个显著特点是小波分析在时 间域和频率域上同时具有良好的局部化性质，被 称为“数字显微镜”。
3.2.4 小波分析技术
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
采用双传声器作为声信号的接收单元； 两个传声器之间的距离r决定了测量的最高频率
一般r取相应最短波长的1/6~1/10; 最高频率为10 kHz，则r应取3~5mm；
噪声是由多种频率组成的 ➢ 为了解噪声的特性，需要知道声压级与频率之间
的函数关系； ➢ 将时间域中的数据转变为频率域中的数据（频谱
分析仪）；
傅里叶变换
➢ f(t)
F(ω)
3.2.1 快速傅里叶变换（FFT）
➢ 连续的傅里叶变换发展成离散傅里叶变换（DFT）
➢ 离散傅里叶变换定义：
N 1
A n (XkW k n )
➢ 按照接收声波方式的不同，传声器一般 有四种：
压强式
精度较高，应用最多。
压差式
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。
压强式传声器
当装置置于某空间时： ➢ 不存在声场，腔内外压
强相同，作用在膜片上 的合力为0； ➢ 如果有声波入射，则振 膜在腔外一侧受到声压 p的作用。振膜面积 S， 则合力为
组成： 探头部分——信号处理部分——校准部分
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。
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。
校准部分——确保测量结果的准确性。
分类：
小型声强计：只给出线性的或A计权的单值结果，技 术是模拟似的；（测总的声强级或A计权声强级）
双通道快速傅里叶分析仪：通过互功率谱计算声强； （进行窄道分析，在设备和时间上没有什么限制）
利用数字滤波技术：由两个具有归一化1/3倍频程滤 波器的双路数字滤波器组获得声强的频谱。
声强测量技术：直接测量技术和间接测量技术；
p-u
p-p
4.声强测量的应用
鉴别声源及其方位 画出声源附近声能量流动的路线 研究材料吸声系数随入射角度的变化 求声源的声功率
汉宁窗
➢ 汉宁窗函数的定义为：
➢ ω(t)=
0.5(1-cos(2πt/T)), 0<=t <=T
0,
t取其他值
➢ 汉宁窗用于随即信号分析，以减少功率泄露；
➢ 平顶窗适合于正弦信号分析，以保证幅值精度；
➢ 矩形窗主要用于瞬态信号分析；
➢ 在频率响应函数测试中对脉冲力信号使用力窗， 以提高信噪比；
➢ 声压、质点振动速度、阻抗、声强和声功率； ➢ 声压可以直接测量，是声学测量中最基本和最主要
方式，而他量一般通过声压计算得到； ➢ 用声功率表征噪声源的特性更确切，目前已研究出
直接测得声强得到声功率的方法（新方向）
3.1 声压的测量
声波传播时大气中压强随着声波作周期性的变 化，声扰动所产生的逾量压强就叫做声压。
p = p’ - p0
声能密度 声强 声功率
pe 2 0c 2
I pe2
0c
W SI
S—平面声波波阵面的面积
声压的测量是声学测量的基础。
声波的接收是声压测量的基础环节。
在空气介质中最常用的接收器为传感器（麦克风）。
➢ 传声器是将声波信号转换为相应的电信号的传感器；
➢ 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。
➢ 2) 在声频范围内具有具有良好的频率响应特性， 即平坦的幅频特性和零相移的相频特性；
➢ 3) 动态范围宽。传声器应在很宽的动态范围内具 有恒定的声压－电压转换灵敏度；
➢ 4) 性能稳定；
➢ 5) 高灵敏度和低的电噪声。
传声器的分类
按换能方式分类，传声器分为：
➢ 电动式（用于普通声级计 ） ➢ 压电式（用于普通声级计 ） ➢ 电容式（常用于精密声级计 ）
（1）电容传声器
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；
电容式传感器幅频特性平直部分的频率范围约为 10 Hz~20 kHz；
具有理想传声器所要求的各种特性。
（1）电容传声器
电容传声器的结构图
无声波时，腔内外压强 相等；
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，电容也 随之变化，这就产生了 一个交变电压信号，输 送到前置放大器中。
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
按测量精度分为：精密级、工程级和简易级。 按测试环境分为：自由声场、混响室法和户外声场法 按声源噪声特性分为：稳态、宽带和窄带噪声。
Lp
10 lg
1 N
N i1
100.1Lpi
若每个测量球（半球）的面积不相等，则：
Lp
1 N
10 lg
S
i 1
Si100.1Lpi
则自由声场的声功率级为：
LW Lp lg S1(dB)
S1=4∏r2
半自由声场中的声功率级为：
LW Lp lg S2 (dB)
S1=2∏r2
➢ 离散傅里叶变换是处理离散数字信号的一个方法；
➢ 快速傅里叶变换是一种计算离散傅里叶变换的高 效方法；
快速傅里叶变换的原理
➢ 利用Wn=1的性质，把计算离散傅里叶变换系数所 需要进行的乘法运算次数从N2次压缩到(N/2)logaN 次，a为整数，一般取2；
➢ 例如N=1024，N2=1048576，而(N/2)logaN=5120， 运算次数减少到原来的1/205;