聲學(xué)知識(shí)普及

1、聲學(xué)知識(shí)普及,車輛試驗(yàn)部 2020年12月12日,聲音 :來源于物體的振動(dòng)。聲音是一種物理現(xiàn)象，是描述由于媒體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)點(diǎn)密度隨時(shí)間變化的情況,聲音傳播,周期T是一次聲振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間。單位是s,波長：聲波傳播過程中兩個(gè)相繼的同相位點(diǎn)之間的空間距離 用符號(hào)表示，單位是m,頻率：每秒聲振動(dòng)的次數(shù)，記作f，單位是赫茲(Hz),不同聲源的頻率范圍,聲學(xué)基本術(shù)語,1、聲的基本特性參數(shù) 1.1頻率和周期 每秒聲振動(dòng)的次數(shù)稱為聲的頻率，記作f，單位是赫茲(Hz)。人耳能聽到的聲，其頻率范圍是2020000Hz。低于20Hz的稱為次聲，高于20000Hz的稱為超聲。人耳對(duì)于3000Hz左右的聲感覺

2、最靈敏；對(duì)低于63Hz和高于16000Hz的聲，即使勉強(qiáng)聽得見，反應(yīng)也很不靈敏。所以，在噪聲控制領(lǐng)城內(nèi)，主要對(duì)6316000Hz的聲有興趣。 周期T是一次聲振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間。它是頻率的倒數(shù)，單位是s。 T=1/f 1.2波長和聲速 聲波傳播過程中兩個(gè)相繼的同相位點(diǎn)之間的空間距離叫波長，用符號(hào)表示，單位是m。 聲速是擾動(dòng)在介質(zhì)中傳播的速度，記作c，單位是m/s。空氣中的聲速和風(fēng)速是兩個(gè)不同的概念。風(fēng)速是空氣分子往某個(gè)方向遷移的速度，而聲速是空氣分子在某個(gè)方向上的往復(fù)振動(dòng)的傳播速度。 15時(shí)空氣中的聲速為340m/s。 頻率f、波長、聲速c之間有如下關(guān)系式：,1.3質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度 介質(zhì)分子在聲傳播過

3、程中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度叫質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，記作v。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度 有別于聲速。在聲傳播過程中，質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近振動(dòng)。這種振動(dòng)被傳播出去，而質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的平衡位置卻保持原地不動(dòng)。 1.4聲壓及其瞬時(shí)值、平均值和有效值 考慮聲在理想氣體介質(zhì)中傳播的情況。設(shè)沒有聲波傳播時(shí)介質(zhì)處于平衡狀態(tài)，壓力為p0。聲在氣體介質(zhì)中以疏密波的形式進(jìn)行傳播。因此聲場(chǎng)中每一點(diǎn)的壓力都在平衡壓力p0上疊加一個(gè)瞬息變化的微小壓力，叫做聲壓，單位是帕(Pa)。聲壓瞬時(shí)值記作p(t)。測(cè)量聲壓的傳感器是傳聲器。有了聲壓，人耳才能聽到聲音。 假定討論的是純音，就是由單一頻率組成的聲音，則其聲壓瞬時(shí)值可用余弦函數(shù)表述： 式中，pm為幅值，即最大

4、值，為圓頻率，=2f。 聲壓平均值為 對(duì)純音來說，其平均值為零。幸好人耳聽到的聲音強(qiáng)弱不是由平均值的大小決定的，否則將聽不到任何純音。聲音的強(qiáng)弱是由聲壓的有效值決定的。,有效值就是均方根值，記作prms，時(shí)常簡單地寫成p，對(duì)周期函數(shù)有： 對(duì)純音來說，有效值 通常我們說到聲壓，如果不加說明，那么就是指聲壓的有效值。 1.5聲強(qiáng) 單位時(shí)間內(nèi)在某一點(diǎn)通過與某一方向垂直的單位面積的聲能量的平均值叫聲強(qiáng)，用符號(hào)I表示，單位是Wm2。 顯然，談?wù)撀晱?qiáng)而不提所論方向，是毫無意義的。迄今還沒有能夠直接測(cè)量聲強(qiáng)的傳感器。只能用兩個(gè)聲壓傳感器通過信號(hào)分析及處理來間接測(cè)量聲強(qiáng)。 1.6聲功率 聲功率是聲源以空氣聲的

5、形式輻射的功率，記作W，單位是W(瓦)。 聲功率不能直接測(cè)量，而只能根據(jù)聲壓和測(cè)量面等間接測(cè)量。 聲壓是就聲場(chǎng)中某一點(diǎn)而論的，聲強(qiáng)是就聲場(chǎng)中某一點(diǎn)和某一方向而論的。而聲功率是就某一聲源而論的。,聲壓及聲功率,每小時(shí)3次 開始于每小時(shí)的第10分,. . . 06:10 06:30 06:50 07:10 07:30 07:50 08:10 . . .,火車時(shí)刻表,頻譜分析概念,時(shí)間 (何時(shí)?),頻率 (頻度?),為什么進(jìn)行頻譜分析？,聲學(xué)振動(dòng)的 數(shù)字化描述,時(shí)域中，各種影響混疊在一起。而頻域中，通常卻明顯分離,信號(hào)類型,時(shí)間,頻率,正弦,時(shí)間,頻率,方波,時(shí)間,頻率,瞬態(tài),時(shí)間,頻率,理想脈沖,

6、時(shí)域上無限長 頻域上帶寬有限,時(shí)域上有限長 頻域上帶寬無限,信號(hào)類型,確定性,隨機(jī),連續(xù),瞬態(tài),非穩(wěn)態(tài)信號(hào),穩(wěn)態(tài)信號(hào),時(shí)間,時(shí)間,頻率,頻率,頻率,頻率,時(shí)間,時(shí)間,時(shí)間,時(shí)間,由于許多聲學(xué)性質(zhì)，如吸聲、隔聲、繞射、衰減、阻尼等等都與頻率大小有關(guān)，我們研究聲學(xué)不能只研究聲壓、聲強(qiáng)、聲功率等等而忽略聲的頻率結(jié)構(gòu)。所以噪聲控制工程中分析聲的頻率是一件十分重要的工作。常用的方法有兩種，一種是根據(jù)聲壓的時(shí)間歷程記錄進(jìn)行快速Fourier變換(FFT)，另一種是將整個(gè)頻率范圍劃分成許多首尾相連的頻帶(頻程)，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)頻帶設(shè)置一個(gè)帶通濾波器，以便測(cè)定每個(gè)頻帶的聲壓值。頻譜分析因其帶寬的劃分方法不同而分

7、成： 倍頻程(或記作11倍頻程)分析； 13倍頻程分析； 2.1倍頻程分析 倍頻程頻帶是這樣劃分的，每個(gè)頻帶的上限截止頻率為其下限截止頻率的兩倍。而中心頻率為上、下限截止頻率乘積的平方根。所以，若設(shè) f1=下限截止頻率； f2=上限截止頻率； f0=中心頻率； bw=帶寬，即上、下限截止頻率之差。,則 由上面公式可得 下一個(gè)倍頻帶的下限截止頻率就是上一個(gè)倍頻帶的上限截止頻率。因此，兩個(gè)相鄰的倍頻程頻帶的上、下限截止頻率、中心頻率和帶寬之間均相差一倍。 在可聞的頻率范圍內(nèi)，各個(gè)倍頻程倍頻帶的中心頻率為31.5，63，125，250，500，1k，2k，4k，8k和16k(Hz)。這是國際標(biāo)準(zhǔn)化組

8、織ISO的規(guī)定。 2.2 13倍頻程分析 將一個(gè)倍頻程頻帶再分成三個(gè)頻帶，每個(gè)頻帶的上限截止頻率f2為其下限截止頻率f1的21/3倍，即 這樣的頻帶稱為13倍頻程頻帶。相應(yīng)地有,一般地，一個(gè)m倍顛程的上、下限截止顛率、中心頻率和帶寬之間有如下關(guān)系,3、聲級(jí)與分貝 描述風(fēng)力大小用112級(jí)。每一級(jí)對(duì)應(yīng)于一定的風(fēng)速范圍。天氣預(yù)報(bào)一般只說風(fēng)力多少級(jí)，而不說風(fēng)速多少。這樣做似乎不很精確，但一聽便知道風(fēng)力多大，清楚明了。反之，如果天氣預(yù)報(bào)不講風(fēng)力的級(jí)別而報(bào)風(fēng)速多少，便可能因?yàn)轱L(fēng)速的數(shù)值范圍太大，反倒覺得不能跟日常生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系了。聲學(xué)中的情況類似。從剛剛聽得出的聲強(qiáng)到人耳可能接觸到的最大聲強(qiáng)，數(shù)值相差100

9、00億倍，即1012倍以上。在這樣廣闊的數(shù)值范圍內(nèi)描述其大小極不方便。所以聲學(xué)中也用聲級(jí)來描述聲的強(qiáng)弱。聲級(jí)包括聲強(qiáng)級(jí)、聲壓級(jí)和聲功率級(jí)等。這是一種無量綱的對(duì)數(shù)值，對(duì)數(shù)能壓縮數(shù)值范圍。 3.1 聲強(qiáng)級(jí)和聲壓級(jí) 聲強(qiáng)級(jí)的定義為,式中，I為所論聲強(qiáng)(W/m2)，Ire為參考聲強(qiáng)，為10-12(W/m2)。 有的文獻(xiàn)用SIL表示聲強(qiáng)級(jí)，但我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用LI表示。 這一定義自電訊工程移植而來。電訊工程中為了描述一個(gè)電學(xué)量的大小，往往將其數(shù)值與人為地規(guī)定的參考數(shù)值之比取以10為底的對(duì)數(shù)，單位為貝(Bel)，以紀(jì)念電話發(fā)明人貝爾(Bell)。通常因?yàn)樨愡@個(gè)單位太大，故取其110作單位，叫分貝，簡寫為d

10、B。既然單位縮小到原先的1/10，數(shù)值便要相應(yīng)地乘以10，故得前文所示的定義式。 聲壓級(jí)定義 聲壓可以用傳聲器作為傳感器直接測(cè)定，聲強(qiáng)卻不能利用某種傳感器直接地測(cè)定，而只能利用聲壓傳感器間接地測(cè)定。所以，雖然聲壓與聲強(qiáng)之間有著如前面公式所描述的確定的關(guān)系，早期卻只能用聲壓來描述人耳能聽到的最弱聲音的強(qiáng)度。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，聽覺正常的青年人能聽得出的最低聲壓在2010-6Pa即20Pa左右。因此將這一聲壓定為參考聲壓。即 3.2 聲功率級(jí) 聲功率級(jí)定義與聲強(qiáng)的定義有類似的形式： 式中，W為所論聲功率，Wre為參考聲功率，Wre=10-12W,某些典型聲源的聲功率和聲功率級(jí),分貝,聲壓級(jí)的范圍,轉(zhuǎn)

11、換的簡單規(guī)則,向dB轉(zhuǎn)換的圖表說明,分貝（dBs）的理解,3.3 聲壓級(jí)的加法 噪聲控制工程中經(jīng)常會(huì)遇到這類問題： 已知各聲源單獨(dú)開動(dòng)時(shí)傳到某點(diǎn)的聲壓，求各聲源同時(shí)開動(dòng)時(shí)該點(diǎn)的聲壓。 或已知同一聲源傳到某點(diǎn)的各頻帶的聲壓，求總聲壓。 顯然，由于分貝是對(duì)數(shù)值，所以聲壓疊加時(shí)不能簡單地通過分貝值的算術(shù)相加來求取聲壓疊加的結(jié)果。 因?yàn)槁晧旱木街蹬c能量成正比，所以按下式相加的方法稱為以能量為基礎(chǔ)的加法 3.4 聲壓級(jí)的減法 下面的問題涉及聲壓級(jí)的減法： 已知兩臺(tái)機(jī)器同時(shí)開動(dòng)和只開一臺(tái)機(jī)器時(shí)某點(diǎn)的聲壓，求另一臺(tái)機(jī)器單獨(dú)開動(dòng)時(shí)該點(diǎn)的聲壓。 或測(cè)量某臺(tái)機(jī)器的聲壓級(jí)時(shí)要剔除背景噪聲的影響。 或已知某臺(tái)完整的

12、機(jī)器開動(dòng)時(shí)和拆除某一部件后機(jī)器開動(dòng)時(shí)某點(diǎn)的聲壓，求被拆除的部件單獨(dú)發(fā)出的噪聲傳到該點(diǎn)的聲壓。 聲壓級(jí)的減法也要以能量為基礎(chǔ)進(jìn)行。,兩個(gè)聲源,1.1 dB + 1 dB = 4 dB 2.2 dB + 2 dB = 5 dB 3.3 dB + 3 dB = 6 dB 4.80 dB + 80 dB = 83 dB 5.80 dB x 2 = 83 dB 6.80 dB - 77 dB = 77 dB 7.80 dB - 70 dB =79.5 dB 8.90 dB x 10 = 100 dB 9.80 dB + (-80 dB) = 80 dB,3.5 聲壓級(jí)加、減法圖解 1.聲壓級(jí)加法圖解 已

13、知Lp1和Lp2，求兩者疊加后得到的Lp。 設(shè)Lp1Lp2。公式 兩邊同除以 ，得 此式給出了(Lp-Lp1)與(Lp1-Lp2)之間的隱函數(shù)。這一隱函數(shù)示于下圖，橫坐標(biāo)為(Lp1-Lp2) ，縱坐標(biāo)為(Lp-Lp1) 。從圖上查出Lp=Lp-Lp1,便可得出 Lp=Lp1+ Lp,2.聲壓級(jí)的減法圖解 已知兩聲壓級(jí)之和Lp和其中之一Lp1，求另一聲壓級(jí)Lp2。 公式 兩邊同除以 ，得 此式給出了(Lp-Lp1)與(Lp-Lp2)之間的隱函數(shù)。這一隱函數(shù)示于下圖，橫坐標(biāo)為(Lp-Lp1) ，縱坐標(biāo)為(Lp-Lp2) 。從圖上查出Lp=Lp-Lp2 ，便可得出 Lp2=Lp- Lp,3.6 聲壓

14、級(jí)的平均值 在確定聲原指向特性時(shí)要計(jì)算聲壓級(jí)的平均值；在測(cè)定內(nèi)燃機(jī)聲功率時(shí)也要計(jì)算聲壓級(jí)的平均值。 計(jì)算平均值首先要求和。聲壓級(jí)的平均以能量為基礎(chǔ)。 中的 代表著能量之和，將它除以n就是對(duì)能量進(jìn)行平均，所以聲壓級(jí)的平均值按下式計(jì)算 式中 是各聲壓級(jí)之和。 以上是求聲壓級(jí)平均值的精確計(jì)算法。,4、計(jì)權(quán)聲級(jí) 4.1幾種計(jì)權(quán)聲級(jí),等響曲線,上圖的等響曲線反映了頻率對(duì)人耳響度感覺的影響?？梢钥闯鋈硕鷮?duì)30004000 Hz的聲音特別敏感，而對(duì)低頻聲，特別是對(duì)100Hz以下的可聽聲卻不敏感。這就是說，聲壓級(jí)相同但頻率不同的純音聽起來并不是等響的。在評(píng)價(jià)組成某噪聲的倍頻帶聲壓級(jí)總的后果時(shí)，若測(cè)試儀器僅簡單

15、地將它們按能量法則相加，則反映不出這種由頻率影響引起的感覺上的差別。因此，人們?cè)噲D使測(cè)試儀器(聲級(jí)計(jì))模仿人耳的特點(diǎn)，也能對(duì)聲壓級(jí)相同但頻率不同的噪聲產(chǎn)生不同的“感覺”。一種較為簡單的方法是，對(duì)各頻帶聲壓級(jí)按其中心頻率進(jìn)行修正，然后按能量法則相加。修正可在儀器內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行。方法是將聲信號(hào)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波，使有些頻率成份衰減掉一些，而使另一些頻率成份增強(qiáng)一些。修正后的各頻帶聲壓級(jí)與等響的1000Hz純音的聲壓級(jí)接近。這種方法叫做加權(quán)或計(jì)權(quán)。然后按能量法則相加，便得計(jì)權(quán)聲級(jí)。目前國際上最常用的計(jì)權(quán)方法有三種，反映在聲級(jí)計(jì)上就是A，B，C三檔，分別模擬人耳對(duì)40方、70方和100方純音的響應(yīng)特性設(shè)置計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

16、，測(cè)量時(shí)聲信號(hào)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波后按頻率獲得不同程度的衰減或增益。三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)曲線如下圖所示?？梢钥闯?，對(duì)于A檔在低頻范圍衰減相當(dāng)大，在12505000Hz反而略有提高。對(duì)于C檔，在可聽聲范圍內(nèi)基本上是平坦的。對(duì)于B檔則介于兩者之間。在有些聲級(jí)計(jì)中還設(shè)置D檔計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)高頻聲作了較大補(bǔ)償，主要用于評(píng)價(jià)航空噪聲。聲級(jí)計(jì)上不經(jīng)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)濾波的則稱為線性檔。,40dB的等響曲線和A計(jì)權(quán),40dB的等響曲線（ 1000Hz歸一化到0dB） 40dB等響曲線的倒數(shù)和A-計(jì)權(quán)曲線的對(duì)比,頻率計(jì)權(quán)曲線,經(jīng)過A，B，C三檔計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)濾波后測(cè)得的各頻帶聲壓級(jí)按能量法則相加所得之總聲壓級(jí)叫做A，B，C計(jì)權(quán)聲級(jí)，簡稱

17、A，B，C聲級(jí)，分別記為LA，LB，LC，單位都是dB，不過分別加上A，B，C成為dB(A)，dB(B)，dB(C)，線性檔記為LT。 實(shí)際測(cè)量時(shí)，用聲級(jí)計(jì)按照A，B，C及線性檔測(cè)量相應(yīng)的聲級(jí)，可以大致得出噪聲頻譜特性而不需要外接濾波器。例如，當(dāng)LA與LC， LT差不多時(shí)，即可確定所測(cè)的噪聲以中高頻成份為主，噪聲頻譜的主要成份在600Hz以上。特別是當(dāng)LA略高于LC甚至LT時(shí)，可確定噪聲主要成份在16004000Hz范圍內(nèi)。又如當(dāng)LA顯著低于LC和LT時(shí)：即可確定所測(cè)噪聲以低頻成份為主，噪聲頻譜主要成分在500Hz以下。這時(shí)如果Lc與LT相差不多，可確定噪聲主要成分在可聽聲的低頻范圍；如果Lc

18、顯著低于LT ，就可確定噪聲主要成分在次聲范圍。 目前在噪聲控制中，廣泛采用A聲級(jí)作為噪聲評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。由于A聲級(jí)容易直接測(cè)定，并且A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的衰減特性是完全確定的，用A聲級(jí)評(píng)價(jià)易于對(duì)不同的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，因此把A聲級(jí)作為噪聲評(píng)價(jià)的指標(biāo)是很適宜的。,4.2 A計(jì)權(quán)聲級(jí)的計(jì)算 噪聲控制工程中，經(jīng)常需要把倍頻程或1/3倍頻程聲壓級(jí)換算成A計(jì)權(quán)聲級(jí)和總聲級(jí)。例如對(duì)某一聲源采用噪聲控制技術(shù)時(shí)，根據(jù)各頻帶的降噪隔噪效果估計(jì)值可預(yù)測(cè)可望達(dá)到的各頻帶聲壓級(jí)，再換算成A聲級(jí)。又如測(cè)定各頻帶聲壓級(jí)時(shí)，可將測(cè)得的數(shù)據(jù)換算成A聲級(jí)，并與儀器直接測(cè)得的A聲級(jí)對(duì)比，作為一種校驗(yàn)。 由各頻帶聲壓級(jí)換算成A聲級(jí)時(shí)，可從

19、各頻帶聲壓級(jí)Lpi加上該頗帶中心頻率所對(duì)應(yīng)的A計(jì)權(quán)修正值i然后以能量為基礎(chǔ)相加得LA。,式中， Lpi為第i個(gè)頻帶的聲壓級(jí)， i為第i個(gè)頻帶所對(duì)應(yīng)的A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)修正值，簡稱A修正，以dB為單位。 A修正可由計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性圖或下表查得。值得注意的是：在評(píng)價(jià)減噪措施的實(shí)際效果時(shí)單憑A聲級(jí)的減少量是不夠的，必須同時(shí)給出噪聲頻率的變化。 通常所說的噪聲級(jí)，如果不加特別說明指的就是A聲級(jí)。其單位為dB，不一定記為dB(A)。,例 試由下列倍頻程聲壓級(jí)Li計(jì)算總的A聲級(jí)LA。,不同頻帶的A修正,頻譜圖和總級(jí)值,聽覺聲場(chǎng),語音頻率范圍：200Hz-6000Hz 清晰語音頻率范圍：500Hz-4000Hz,關(guān)于汽車噪聲的基本概念,按危害區(qū)域分 車內(nèi)噪聲：勻速行駛噪聲、怠速噪聲、滑行噪聲等。 車外噪聲：加速行駛噪聲、勻速噪聲、制動(dòng)噪聲等。 按聲源性質(zhì)分 燃燒噪聲：發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程直接產(chǎn)生的噪聲。 空氣動(dòng)力性噪聲：氣體流動(dòng)過程產(chǎn)生的噪聲，包括進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、風(fēng)扇噪聲和空氣流過汽車結(jié)構(gòu)表面或孔道時(shí)產(chǎn)生的噪聲等。 機(jī)構(gòu)噪聲：汽車中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)、摩擦、慣性沖擊和不平衡等引起的噪聲。 結(jié)構(gòu)噪聲：汽車中的各種結(jié)構(gòu)受激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)而輻射的噪聲，如罩、殼類零件、車身壁板等的噪聲。,發(fā)動(dòng)