2009-2010擬開設(shè)聲學(xué)實(shí)驗(yàn).doc

實(shí)驗(yàn)1 測試系統(tǒng)特性及仿真【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 熟練掌握一階、二階測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；2. 正確理解動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響；3. 掌握用Matlab語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析的方法；【實(shí)驗(yàn)儀器】硬件：普通計(jì)算機(jī)，軟件：Matlab7.0【實(shí)驗(yàn)原理】 一、傳遞函數(shù)模型一般的聲學(xué)系統(tǒng)多數(shù)情況下可以認(rèn)為是線性時(shí)不變系統(tǒng)(LTI)，數(shù)學(xué)模型通常用常系數(shù)線性微分方程來描述，即 對(duì)上式兩邊取傅立葉變換，令,可得 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:系數(shù)數(shù)組，稱為傳遞函數(shù)的二對(duì)組。在matalb中我們可以通過調(diào)用tf函數(shù)來來創(chuàng)建LTI模型。本實(shí)驗(yàn)主要使用傳遞函數(shù)模型來分析兩種單輸入單輸出的測試系統(tǒng)特性。一種是一階測試系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為： ，另一種是二階測試系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為：二、實(shí)驗(yàn)用Matlab命令 SYS=tf(NUM,DEN) 利用傳遞函數(shù)二對(duì)組創(chuàng)建LTI模型； NUM, DENtfdata(S-LTI) 從LTI對(duì)象獲得傳遞函數(shù)二對(duì)組； Y,Tstep(S-LTI) 計(jì)算或繪制LTI對(duì)象S-LTI的階躍響應(yīng)； Y,Timpulse(S-LTI) 計(jì)算或繪制LTI對(duì)象S-LTI的沖擊響應(yīng)； Y,Tlsim(S-LTI,U,T) 計(jì)算或繪制LTI對(duì)象S-LTI的任意輸入響應(yīng)； bode(S-LTI) 繪制LTI對(duì)象S-Lti的Bode圖；【實(shí)驗(yàn)步驟】1.打開Matlab，熟悉信號(hào)處理的相關(guān)指令；2.假定一階測試系統(tǒng)的輸入為：編寫m文件一連畫出輸入及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的時(shí)域曲線，分析幅值及相位的變化情況；3.在matlab中編寫m文件，畫出一階測試系統(tǒng)的Bode圖(對(duì)數(shù)頻率特性)、沖擊響應(yīng)曲線及階躍響應(yīng)曲線；4.時(shí)，編寫m文件畫出二階測試系統(tǒng)的Bode圖，阻尼比分別為0.1、0.7、2.0。5給出阻尼比時(shí)的沖擊響應(yīng)曲線及階躍響應(yīng)曲線，通過曲線測定二階測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)值、，和理論值進(jìn)行比較；【注意事項(xiàng)】1MATLAB命令輸入必須在英文輸入狀態(tài)下進(jìn)行。2系統(tǒng)的輸入輸出曲線及不同阻尼比的Bode圖應(yīng)畫在同一坐標(biāo)中以便進(jìn)行比較思考題一階、二階測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)是什么？通過什么方法可獲得這些參數(shù)？ 實(shí)驗(yàn)2 噪聲聲級(jí)測量隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)科技的發(fā)展，環(huán)境問題已被國際社會(huì)公認(rèn)為是影響21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題，而噪聲污染更是21世紀(jì)首要攻克的環(huán)境問題之一。人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代物質(zhì)文明的同時(shí)，也會(huì)受到相應(yīng)的噪聲與振動(dòng)帶來的危害。為了了解噪聲污染的規(guī)律，找到防治噪聲污染的有途徑，對(duì)其進(jìn)行正確的測試是必不可少的環(huán)節(jié)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.測量噪聲源的聲壓級(jí)及聲級(jí)；2.了解噪聲的基本度量級(jí)評(píng)價(jià)參量；3.掌握聲級(jí)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)原理及其使用方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】聲級(jí)計(jì)(型號(hào)待定)、聲級(jí)校準(zhǔn)器(型號(hào)待定)、噪聲源(任選一種)【實(shí)驗(yàn)原理】噪聲有兩種意義：在物理上指不規(guī)則的、間歇的或隨機(jī)的聲振動(dòng)；在心理上指任何難聽的、不諧和的聲或干擾。為了對(duì)噪聲進(jìn)行控制和治理，必須對(duì)其聲學(xué)特征、頻譜進(jìn)行分析。噪聲可用它的強(qiáng)度、頻率特性及時(shí)間特性來描述。1.1 噪聲的客觀物理度量作為噪聲強(qiáng)度的客觀物理度量，可以用聲壓級(jí)(聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí))來表示。聲壓級(jí)定義為: (1-1)式中為待測聲壓的有效值，為參考聲壓。聲強(qiáng)級(jí)定義為: (1-2)式中為待測聲強(qiáng)，為參考聲強(qiáng)。聲強(qiáng)級(jí)定義為: (1-3)其中為待測聲強(qiáng)，為參考聲強(qiáng)。由空氣中聲強(qiáng)級(jí)近似地等于聲壓級(jí)的關(guān)系可得出：以及 (1-4)以上就是空氣中聲強(qiáng)級(jí)、聲壓級(jí)與聲功率級(jí)之間的關(guān)系。必須注意的是式(1-4)成立的條件必須是自由聲場，即除了聲源發(fā)聲外，其他聲源的聲音和反射聲的影響均小到可以忽略不計(jì)的程度。1.2 噪聲的主觀評(píng)價(jià)噪聲對(duì)人的影響要由人的主觀感覺來衡量。人耳聽聲，雖說聲壓越大，聲音越響，但聲壓與人耳感覺的響度并不成比例關(guān)系，而是近似成對(duì)數(shù)關(guān)系；同時(shí)人耳對(duì)于不同頻率聲音的響度感覺也是不一樣的，因此，根據(jù)人耳的聽覺特性，引入響度與響度級(jí)、計(jì)權(quán)聲級(jí)和等效連續(xù)聲級(jí)等主觀評(píng)價(jià)量。(1) 響度與響度級(jí)為了確定某一聲音的輕與響的程度，最簡單的方法就是把它和另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的聲音相比較(ISO規(guī)定為1kHz純音)，調(diào)節(jié)1kHz純音的聲壓級(jí)，使它和所研究的聲音聽起來有同樣的響，這時(shí)1kHz純音的聲壓級(jí)就被定義為該聲音的響度級(jí)，響度級(jí)的單位稱為方。例如1kHz純音的聲壓級(jí)為60dB時(shí)與某一聲源發(fā)出的聲音聽起來同樣的響，那么不管聲源聲音的聲壓級(jí)是多少，它的響度級(jí)被認(rèn)為是60方。按照以上規(guī)定，顯然對(duì)1kHz的純音，其以分貝計(jì)的聲強(qiáng)級(jí)與以方計(jì)的響度級(jí)數(shù)值上是相等的。對(duì)各個(gè)頻率的聲音都作這樣的試聽比較，把聽起來同樣響的各對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)按頻率連成一條條曲線，這些曲線就稱為等響曲線，如圖1-1 所示。同一條曲線上的每個(gè)頻率的聲音在感覺上都一樣響，它們的響度級(jí)就是這條曲線上1kHz處的聲壓級(jí)值。圖1-1 等響曲線聲音“響”的程度，叫響度，記為N ，單位是宋。它與正常聽力對(duì)聲音的主觀感受量成正比。規(guī)定響度級(jí)為40方時(shí)響度為1宋，由實(shí)驗(yàn)得出響度級(jí)增加10方時(shí)響度增加一倍，如響度級(jí)LN 由40 方增加到50 方時(shí)，響度N 加倍，由1宋變?yōu)?宋，當(dāng)LN 由50方變到60 時(shí)，響度再加倍由2宋變?yōu)?宋。由此可得響度級(jí)LN與響度N 的關(guān)系為： (1-5) (1-6)(2) 計(jì)權(quán)聲級(jí)為了使用聲音的客觀物理量來表達(dá)人耳聽覺的主觀感受，可以在聲學(xué)測量儀器中加入模擬人聽覺特性的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，使所接收的聲音在人耳敏感的頻域加以增強(qiáng)，不敏感的頻域加以衰減。這樣可以從儀器上直接讀出反映人耳對(duì)噪聲感覺的數(shù)值，使主、客觀評(píng)價(jià)量趨于一致。這種通過計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)讀出的聲級(jí)叫做計(jì)權(quán)聲級(jí)。圖1-2為A、B、C、D等計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)曲線。圖1-2 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)曲線A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模仿40方等響曲線設(shè)計(jì)的（倒置）。當(dāng)聲波通過A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，低頻聲(特別是500Hz以下)衰減較大，而對(duì)10005000Hz的聲音不衰減，甚至稍有放大；B計(jì)權(quán)是仿效70方等響曲線，反映人耳對(duì)中強(qiáng)度噪聲的響應(yīng)，低頻有衰減；C計(jì)權(quán)是100方等響曲線的倒置，反映高強(qiáng)度聲音下的主觀感覺，有近似平直的響應(yīng)；D計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是為測量飛機(jī)噪聲而設(shè)計(jì)的。實(shí)踐證明，無論噪聲高或低，A都能較好的反應(yīng)人耳對(duì)噪聲響度和吵鬧的感覺，因此，在噪聲測量儀器(例如聲級(jí)計(jì))中普遍采用A計(jì)權(quán)。所測得的聲級(jí)就稱作A聲級(jí)，記作dB(A)。(3)等效連續(xù)聲級(jí)A計(jì)權(quán)聲級(jí)對(duì)于穩(wěn)定的寬頻帶噪聲是一種較好的評(píng)價(jià)方法，但對(duì)于一個(gè)聲級(jí)起伏不定或不連續(xù)的噪聲，A 計(jì)權(quán)聲級(jí)就顯得不合適了。例如交通噪聲，噪聲級(jí)是隨時(shí)間而變化的，有汽車通過時(shí)噪聲可能是8590dB(A)，沒有車輛時(shí)可能是5055dB(A)，這時(shí)就很難說這個(gè)地方的交通噪聲到底是多少分貝。對(duì)于這種非穩(wěn)態(tài)噪聲的評(píng)價(jià)最常用的方法就是采用聲能按時(shí)間平均的方法求得某一段時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間起伏變化的各個(gè)A聲級(jí)的平均能量，并用一個(gè)在相同時(shí)間內(nèi)聲能與之相等的連續(xù)穩(wěn)定的A聲級(jí)來表示該段時(shí)間內(nèi)噪聲的大小，稱這一連續(xù)穩(wěn)定的A聲級(jí)為該不穩(wěn)定噪聲的等效連續(xù)聲級(jí)，記為 (1-7)式中為在t 時(shí)刻測量到的A 計(jì)權(quán)聲級(jí)。當(dāng)測量是等間隔采樣測量時(shí)，可表示為： (1-8)其中n為測量次數(shù)，為第i次測得的A 計(jì)權(quán)聲級(jí)。當(dāng)測量值位非連續(xù)離散值時(shí),可表示為: (1-9)其中為第i段時(shí)間內(nèi)測得的A 計(jì)權(quán)聲級(jí)，為第i段測量時(shí)間。1.3 噪聲測量與分析方法噪聲現(xiàn)場測量大都采用統(tǒng)計(jì)聲級(jí)計(jì)（Sound Level Meter，簡稱SLM），它是一種按照一定的頻率計(jì)權(quán)和時(shí)間計(jì)權(quán)測量聲音聲壓級(jí)和聲級(jí)的儀器。聲級(jí)計(jì)的種類雖然很多，但基本結(jié)構(gòu)是相同的，一般由傳聲器、放大器、頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波器、時(shí)間計(jì)權(quán)單元和指示器等部分組成。聲級(jí)計(jì)一般設(shè)有線性計(jì)權(quán)及A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，可以測量噪聲總聲級(jí)和計(jì)權(quán)聲級(jí)。功能強(qiáng)的聲級(jí)計(jì)，除具有線性計(jì)權(quán)及A計(jì)權(quán)外，還具有B、C計(jì)權(quán)及頻率分析功能，可在現(xiàn)場進(jìn)行頻率分析；有的聲級(jí)計(jì)還有“外接濾波器”插孔，可與其他濾波器連接，實(shí)現(xiàn)感興趣的頻帶測量； “放大器輸出”插孔，可輸出交流倍號(hào)，用來與其他儀器配合使用，例如與聲級(jí)記錄儀連用，進(jìn)行測量的自動(dòng)記錄，也可與示波器連用，觀察被測信號(hào)的波形等。 用聲級(jí)計(jì)測量噪聲時(shí)，要合理選擇測點(diǎn)，正確讀數(shù)和記錄以及考慮測量時(shí)環(huán)境條件的影響。 (1) 測點(diǎn)的選擇： 要根據(jù)噪聲測量的對(duì)象選擇不同的測點(diǎn)。如為了評(píng)價(jià)或檢驗(yàn)機(jī)器設(shè)備噪聲，測點(diǎn)應(yīng)分布在機(jī)器近旁。對(duì)于已頒布的一些機(jī)器噪聲測量標(biāo)準(zhǔn)，可按規(guī)范要求進(jìn)行布點(diǎn)。一般機(jī)器設(shè)備可按下述情況選點(diǎn)：對(duì)于尺寸不大于30cm的小型機(jī)器，測點(diǎn)距機(jī)器表面30cm，周圍布置4個(gè)測點(diǎn)；尺寸大于30cm，但小于50cm的中型機(jī)器，測點(diǎn)距機(jī)器表面50cm，周圍布置4個(gè)測點(diǎn)；尺寸為0.51m的大型機(jī)器，測點(diǎn)距表面為1m，周圍布置6個(gè)或8個(gè)測點(diǎn)。測試結(jié)果以最大值(或算術(shù)平均值)表示，并在最大值測點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析。對(duì)于特大型或危險(xiǎn)性設(shè)備，可取較遠(yuǎn)的測點(diǎn)。測點(diǎn)高度以機(jī)器半高度為宜，但距地面不得小于0.5m。(2)時(shí)間計(jì)權(quán)的選擇： 聲級(jí)計(jì)一般都具有“快”、“慢”計(jì)權(quán)。在測量噪聲時(shí)一殷都使用“快”檔。因?yàn)椤翱臁睓n讀數(shù)近似人耳聽覺的生理特性。只有在“快”檔聲級(jí)起伏超過3dB時(shí)才用“慢”檔。對(duì)于離散的沖擊聲，用脈沖聲級(jí)計(jì)讀取脈沖或脈種保持值；對(duì)于間歇噪聲，用“快”檔讀取每次出現(xiàn)的最大值，以數(shù)次測量的平均值表示；對(duì)于無規(guī)則變動(dòng)噪聲，可用“慢”檔每隅5s讀取一次瞬時(shí)值，計(jì)算連續(xù)其等效連續(xù)聲級(jí)。 (3)測量環(huán)境條件的影響：測量噪聲時(shí)，常受到環(huán)境和氣象因素的影響。測量時(shí)要注意傳聲器附近不能有反射物存在，傳聲器距反射物一殷應(yīng)不小于2m。測量時(shí)若有風(fēng)吹向傳聲器時(shí)，則將產(chǎn)生湍流，使傳聲器膜片上壓力漲落而產(chǎn)生噪聲，因此測量時(shí)應(yīng)在傳聲器上安裝防風(fēng)罩。本底噪聲的影響：如果被測噪聲的A聲級(jí)及各倍頻帶聲壓級(jí)均高出本底噪聲10dB，則本底噪聲不影響測量。如果被測噪聲與本底噪聲的差值小于10dB，則應(yīng)按表1.3進(jìn)行修正。為了保證測量精度，應(yīng)盡量設(shè)法降低本底噪聲。表1.3 倍頻程A計(jì)權(quán)修正值總聲壓級(jí)與本底聲壓級(jí)之差dB109876543由總聲壓級(jí)扣除的修正量dB0.60.71.01.31.31.72.23實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.用聲級(jí)計(jì)測量環(huán)境噪聲的A、C聲級(jí)、2.測量某一噪聲源