聲學(xué)基礎(chǔ)知識整理

1、噪聲產(chǎn)生原因空氣動力噪聲由氣體振動而產(chǎn)生。氣體的壓力產(chǎn)生突變，會產(chǎn)生渦流擾動，從而引起噪聲。如空氣壓縮機(jī)、電風(fēng)扇的噪聲。機(jī)械噪聲由固體振動產(chǎn)生。金屬板、齒輪、軸承等，在設(shè)備運(yùn)行時(shí) 受到撞擊、摩擦及各種突變機(jī)械力的作用，會產(chǎn)生振動，再通 過空氣傳播，形成噪聲。液體流動噪聲液體流動過程中，由于液體內(nèi)部的摩擦、液體與管壁的摩擦、或者流體的沖擊，會引起流體和管壁的振動， 并引起噪聲。電磁噪聲各種電器設(shè)備，由于交變電磁力的作用，引起鐵芯和繞組 線圈的振動，引起的噪聲通常叫做交流聲。燃燒噪聲燃料燃燒時(shí)，向周圍的空氣介質(zhì)傳遞了熱量，使它的溫度 和壓力產(chǎn)生變化，形成湍流和振動，產(chǎn)生噪聲。聲波和聲速聲波質(zhì)點(diǎn)或物

2、體在彈性媒質(zhì)中振動，產(chǎn)生機(jī)械波向四周傳播，就形成聲波（聲波是縱波）?？陕犅暡ǖ念l率為2020000 Hz,高于20KHz的屬超聲波，低于 20Hz的屬次聲波。點(diǎn)聲源附近的聲波為球面波，離聲源足夠遠(yuǎn)處的聲波視為 平面波，特殊情況（線聲源）可形成柱面波。聲頻（f ）聲速（c ）和波長（入）入=c / f聲速與媒質(zhì)材料和環(huán)境有關(guān)：空氣中，c =+或 c 20.05273 t （m /s）在水中聲速約為1500 m/s t攝氏溫度傳播方向上單位長度的波長數(shù)，等于波長的倒數(shù)，即1/入。有時(shí)也規(guī)定2n /入為波數(shù)，用符號 K表示。質(zhì)點(diǎn)速度質(zhì)點(diǎn)因聲音通過而引起的相對于整個媒質(zhì)的振動速度。聲波傳播不是把質(zhì)點(diǎn)傳

3、走而是把它的振動能量傳走。聲場有聲波存在的區(qū)域稱為聲場。聲場大致可以分為自由場、擴(kuò)散場（混響場）、半擴(kuò)散場（半自由場）。自由場在均勻各向同性的媒質(zhì)中，邊界影響可忽略不計(jì)的聲場稱 為自由場。在自由場中任何一點(diǎn)，只有直達(dá)聲，沒有反射聲。消聲室是人為的自由場，是由吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)做成的 密閉空間，靜謐無風(fēng)的高空或曠野可近似為自由場。擴(kuò)散場聲能量均勻分布，并在各個傳播方向作無規(guī)則傳播的聲場， 稱為擴(kuò)散場，或混響場。聲波在擴(kuò)散場內(nèi)呈全反射。人為設(shè)計(jì)的混響室是典型的擴(kuò)散場。無論聲源處于混響室 內(nèi)任何位置，室內(nèi)各處聲壓接近相等，聲能密度處處均勻。自由場擴(kuò)散場（混響場）半擴(kuò)散場 如果實(shí)驗(yàn)房間很大，以至邊界墻

4、面和天花板的反射可以忽 略， 只剩下地面的反射， 這種空間稱為半擴(kuò)散場， 或半自由場。 精密的聲學(xué)測量和分析要求在自由場或者擴(kuò)散場進(jìn)行，一 些工程要求的測試可以在半自由場進(jìn)行。近場和遠(yuǎn)場 在不足兩倍機(jī)械尺寸或所發(fā)聲波頻率最低的一個波長距離 之內(nèi)（兩者取大者） ，為近（聲） 場，大于此距離為遠(yuǎn) （聲） 場 近場的質(zhì)點(diǎn)速度與瞬時(shí)聲壓不同相，遠(yuǎn)場的質(zhì)點(diǎn)速度與瞬 時(shí)聲壓同相。距離增加一倍， 點(diǎn)聲源聲壓級降 6dB, 線聲源聲壓級降 3dB聲壓與聲壓級聲壓由于聲波存在而引起的大氣壓力增值，用符號 p 表示。 單位是Pa或N吊。聽閾聲壓也稱為基準(zhǔn)聲壓 po=2 x 10-5Pa (1000Hz)，即標(biāo)準(zhǔn)

5、化額定聽閾，表示有正常聽力的人， 平均能聽到的1000Hz的最 低聲音。在水中p0=1卩Pa。通常p和p°指有效值而非瞬時(shí)值。dB標(biāo)尺 由于可檢測到的聲壓幅值范圍很大，而人耳對聲壓刺激的 反應(yīng)與對數(shù)規(guī)律有關(guān)，習(xí)慣上在表示聲學(xué)參數(shù)時(shí)，都是取測量 值和參考值的比率的對數(shù)值，即采用dB標(biāo)尺。聲壓級一SPL或Lpp實(shí)際聲壓 痛閾聲壓和聲壓級分別為 p=20Pa,Lp=120dB (1000Hz)相同聲壓級加法兩個同聲壓級相干單頻聲源疊加，聲壓級增加6dB。兩個同聲壓級非相干聲源疊加，聲壓級增加3dB。工程上遇到問題一般是加 3dB。不同聲壓級加減法查表：例：L1=55dB ， L 2=51d

6、B L=4dB,對應(yīng)增量 L+=所以： 55dB+51dB =(55+dB =L1=60dB ， L 2=53dB L=7dB,對應(yīng)減量 L-=1dB所以： 60dB-53dB =(60-1)dB =59dB計(jì)算：例：55dB+55dB=10lg ( 1 0 55/10 + 1 055/10)=58d B55dB+40dB=10lg ( 1 0 55/10+ 1 040/10)=55d B60dB-53dB=10lg ( 1 0 60/10- 1 0 53/10)=59d B兩個聲源聲壓級相差 15dB 以上，則小的聲壓級影響可忽聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級聲強(qiáng)單位時(shí)間內(nèi)，聲波通過垂直于聲波傳播方向單位面積上

7、的 聲能量。用符號 I 表示，單位為 W/ m2。聲壓變化引起媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的移動，聲強(qiáng)即是聲壓與質(zhì)點(diǎn)速度 的積。對于球面波和平面波，聲強(qiáng)與聲壓的關(guān)系：p聲壓 p 介質(zhì)密度 C聲速V聲功率 r 測量點(diǎn)到點(diǎn)聲源的距離p c聲阻抗 20 C 時(shí) p c=408 (瑞利，Kg/Ns)v質(zhì)點(diǎn)速度，v=p/ p c聲強(qiáng)級 SIL 或 LI基準(zhǔn)聲強(qiáng) I 0=10-12 V/ m2 (1000Hz) 空氣在室溫時(shí)，與基準(zhǔn)聲壓相對應(yīng)的聲強(qiáng)近似等于基準(zhǔn)聲 強(qiáng)，因此自由場中， 聲強(qiáng)級與聲壓級數(shù)值近似相等； 擴(kuò)散場 (混 響場)中聲強(qiáng)處處為零。聲功率和聲功率級聲功率單位時(shí)間內(nèi)，聲波通過垂直與聲波傳播方向某指定面積的聲能量

8、。 一般指的是所謂聲源聲功率， 即聲源輻射的總聲功率， 單位為 W人正常講話聲功率約為 10-5W距離點(diǎn)聲源距離為r的球面各點(diǎn)聲強(qiáng)I與聲功率 W勺關(guān)系： 聲功率級SW或Lw基準(zhǔn)聲功率 V0=10-12 V對球面波： LW =LP+20lg r +11 (dB)對半球面波：LW =LP+20lg r +8 (dB)在混響室： LW =LS -10lg T +10lg V-14 (dB) ？Ls 混響場中平均聲壓級V 房間容積T混響時(shí)間，一般指T60 ,聲源停止后聲壓級下降 60dB所 需時(shí)間。噪聲的頻譜倍頻程（Octave）將頻譜分為若干個連續(xù)的頻段（每個頻段的上限頻率等于下一個頻段的下限頻率）

9、，每個頻段為一個頻帶，以直方圖表示令 fu/flfu fl Wfu(2N/22 NN=1 :一倍頻程，簡稱倍頻程;N=1/3 :三分之一倍頻程；N=1/12 :十二分之一倍頻程fu中心頻率 fcf2N fc帶寬fiWfuf,（2n/2 2 N/2）fc常見的有1/1、1/2、1/3、1/12、1/24倍頻程分析，其中1/ 3倍頻程分析最常用。1/ 3倍頻程可由FFT線狀譜通過一定綜 合運(yùn)算得出。聲譜頻率為橫坐標(biāo)，聲音的強(qiáng)弱 （聲壓級、 聲強(qiáng)級或聲功率級） 為縱坐標(biāo)，繪制出聲音強(qiáng)弱隨頻率分布的線圖稱為聲音的頻譜， 簡稱聲譜。由 FFT 分析得到的頻譜，具有等帶寬性質(zhì)，其頻率分辨率等于譜線間隔 f

10、,這種方法譜線較多， f較小，可稱為 窄帶 譜。聲音的頻率范圍很寬，一般不可能，也沒有必要對每個頻 率逐一測量，一般都用 1/ 1 倍頻程或 1/ 3 倍頻程進(jìn)行分析。用聲譜進(jìn)行分析時(shí)，可得到線譜和連續(xù)譜等。線譜多是由 轉(zhuǎn)動引起的諧波，可用于改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)；連續(xù)譜反應(yīng)整體結(jié)構(gòu) 的噪聲狀況，可用于整體降噪改進(jìn)（減振、隔振等） 。 倍頻程濾波器濾波器按帶寬類型可以分為恒百分比（比例）帶寬濾波器 和恒（值）帶寬濾波器。 FFT 分析大多用恒（值）帶寬濾波器， 聲學(xué)測量需要用恒百分比（比例）帶寬濾波器。計(jì)權(quán)聲級響度級和等響曲線人耳對聲音強(qiáng)弱的主管感受，不僅與聲壓級有關(guān)，而且與頻率和波形有關(guān)。工程上，用響

11、度級p （單位：Phon來度量這種主觀感覺。 對于頻率為 1000Hz 的純音， 響度級和聲壓級的 數(shù)值是相等的，只是單位不同。其它頻率的純音，響度級和聲 壓級的關(guān)系由等響曲線給出。 作為聲品質(zhì)分析依據(jù)的等響曲線，是由大弟心理學(xué)試驗(yàn)得出的結(jié)果。純音的等響曲線計(jì)權(quán)聲級考慮到人耳對不同頻率的聲音敏感度不同（對3K6KHz的聲音最敏感） ，在一般噪聲測量儀器中， 常配置一些特定的濾 波電路，叫 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò) 。通過計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)得到的聲壓級，叫做 計(jì)權(quán)聲級 ，簡稱 聲級。A、 B、C 三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)特性，分別對應(yīng)于倒置的40、70、lOOPhon等響曲線（1000Hz歸一化到OdB）,其作用是分別反應(yīng) 人耳對低

12、、中、高聲壓級的響度感覺。 A 計(jì)權(quán)被證實(shí)是人耳對 聲壓級主觀反應(yīng)的極好校正。對由A計(jì)權(quán)測量的聲級稱為 A聲級，記作LP或 dB（A）。近來B計(jì)權(quán)、C計(jì)權(quán)已很少采用。A計(jì)權(quán)：40Phon等響曲線的翻轉(zhuǎn)，模擬55dB以下低強(qiáng)度噪聲特性。B計(jì)權(quán)：70Phon等響曲線的翻轉(zhuǎn)，模擬5585dB中等強(qiáng)度噪聲特性。C計(jì)權(quán)：lOOPhon等響曲線的翻轉(zhuǎn)，模擬高強(qiáng)度噪聲特性。D 計(jì)權(quán)：專用于飛機(jī)噪聲的測量。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)權(quán)曲線等效連續(xù)聲級 在評定間斷的、脈沖的或隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定噪聲時(shí)，用 一段時(shí)間內(nèi)能量平均的方法表示噪聲大小， 稱為等效連續(xù)聲級。 用符號Leq表示，等效連續(xù) A計(jì)權(quán)聲壓級用 GqT或表示：T總測量時(shí)

13、間，T=t2-tiFA（t） A計(jì)權(quán)瞬時(shí)聲壓可用同樣公式計(jì)算非 A計(jì)權(quán)聲壓級信號Rt），得到Leq。聲暴露和聲暴露級在規(guī)定時(shí)間間隔或過程內(nèi)，隨時(shí)間變化的頻率計(jì)權(quán)聲壓平方的時(shí)間積分。A計(jì)權(quán)聲暴露，用符號 Ea表示2(Pa2s)tt22PPA2A2(tt)ddtt (pp020T2T)()1(100LA0e.q1TL/A1e0qT)t1t1對于工作場所的噪聲暴露測量， 用帕平方小時(shí)為單位會更方便與Ea對應(yīng)的A計(jì)權(quán)聲暴露級用 Lae表示：T。一基準(zhǔn)時(shí)間間隔，1s2 -12 2丘一基準(zhǔn)聲暴露， Eo =po To =400 x 10- Pa s傳聲器電容傳聲器金屬膜片感受聲壓變化發(fā)生振動，與背極板之間

14、的電容隨之變化。在 極化電壓eo的作用下，負(fù)載 R上產(chǎn)生與聲壓成比例 的交變電壓?，F(xiàn)在膜片厚度可做到 5卩m兩極距離可做到 20卩m駐極體傳聲器用駐極體材料做成的電容傳聲器，有兩種結(jié)構(gòu)：a、用駐極體高分子薄膜材料做振膜b、用駐極體材料做背極板市售 ICP 傳聲器是內(nèi)置前置放大 IC 電路的駐極體傳聲器， 可以與ICP加速度傳感器用同一個電源（如 DC24V供電）。 傳聲器的保養(yǎng)連接傳聲器時(shí)，確保所有設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，絕不在電源 打開的狀態(tài)連接傳聲器。小心操作，使膜片遠(yuǎn)離灰塵和其它物體，絕不觸摸膜片。 在干燥的地方保存，推薦使用自帶保存盒，不要將傳聲器暴露在過濕、過冷和過熱的環(huán)境中聲級計(jì)聲級計(jì)是

15、最基本的噪聲測量儀器，是集成設(shè)備，有標(biāo)準(zhǔn)的 時(shí)間計(jì)權(quán)和測量參數(shù)。主要構(gòu)成如圖：普通聲級計(jì)（H型）頻率范圍：8000Hz準(zhǔn)確度土 1dB精密聲級計(jì)（I型）頻率范圍：2012500Hz準(zhǔn)確度土積分聲級計(jì)允許測量等效連續(xù)聲級。每個系列測量前后都需要標(biāo)定，并記錄標(biāo)定結(jié)果。一般用 聲級校準(zhǔn)器或活塞發(fā)聲器作為標(biāo)定工具。如果測試是在一個相 當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，則每天至少需要標(biāo)定兩次。檢定的聲學(xué)內(nèi)容主要包括： 指示聲級調(diào)整 （校準(zhǔn)）、指向性 相應(yīng)、頻率計(jì)權(quán)和頻率響應(yīng)、級線性、時(shí)間計(jì)權(quán)F和S、猝發(fā)音響應(yīng)、重復(fù)猝發(fā)音響應(yīng)、統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能等。聲強(qiáng)測量的基本原理時(shí)域分析對于某r方向，瞬時(shí)聲強(qiáng)計(jì)算方法：頻域分析由兩個傳聲器

16、信號的互功率譜的虛部可求出聲強(qiáng)。總的平均聲強(qiáng)為Gb兩個傳聲器信號的單邊互譜Im表示取虛部影響聲強(qiáng)測量的主要因素1、有限差分誤差，即 2、傳聲器相位適配誤差 3、背景噪聲影響 雙傳聲器聲強(qiáng)探 聲強(qiáng)探頭是由兩個相靠近的特性非常一致傳聲器組成。 傳聲器間距與波長的比值要足夠??； 需要測量的頻率越高， 兩個傳聲器探頭距離就要越近 , 理想的聲強(qiáng)探頭兩個傳聲器應(yīng) 具有相同的相位響。聲強(qiáng)計(jì)算結(jié)果有正有負(fù)，正負(fù)表示的是聲強(qiáng)的方向。聲壓法測量聲功率級半球包絡(luò)面矩形包絡(luò)面平均聲壓級計(jì)算傳聲器在測量表面上均勻分布時(shí)，N 測點(diǎn)總數(shù)Lpi / 第i個傳聲器測得的聲壓級Lp 測量表面平均聲壓級Lp_Lp'_被測

17、聲源工作期間測量表面的平均聲壓級聲功率級計(jì)算S=2n r2;個墻角上，s測量總表面積 So基準(zhǔn)表面積，im。 只有一個反射面時(shí)，傳聲器所在的半球表面面積被測聲源位于一面墻前時(shí)，S=n r2;如果位于一S= n r o聲強(qiáng)法測量聲功率原理聲強(qiáng)法測量聲功率原理：測量完全包圍被測聲源測量面上 的法向聲強(qiáng)分量，聲功率等于包圍聲源的某一表面的法線方向 的聲強(qiáng)的平均值乘以這個表面的表面積。聲壓法測量聲功率對環(huán)境要求較高，必須在消聲室、半消 聲室或混響室進(jìn)行。聲強(qiáng)法對環(huán)境要求不高，受背景噪聲影響 小，可在半自由場甚至現(xiàn)場進(jìn)行。計(jì)算方法i 測量包絡(luò)面的分塊序號，N測點(diǎn)總數(shù)，不少于10個2包絡(luò)面離被測聲源距離不

18、小于 ，每個S不大于1m。聲學(xué)材料測試聲波入射到吸聲材料表面時(shí)，以i, r, t分別表示入射、反射、透射。垂直入射時(shí)，Pi Pr Pt吸聲系數(shù)：1 ?Eia 堅(jiān)硬表面，高反射低吸收。如鋼板、花崗巖等。a 高吸聲材料，低反射。如泡沫、玻璃纖維等。a =1所有入射聲全部被吸收。吸聲原理：聲波進(jìn)入吸聲材料內(nèi)部， 與材料發(fā)生摩擦作用, 將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。吸聲性能取決于多個因素：材料厚度、孔隙率、頻率、流阻、表面光潔度等。隨著頻率增高吸聲系數(shù)逐漸增大，要改善低頻吸聲效果需增加材料厚度。透射系數(shù)<傳聲損失(隔聲量)TL 10lg(!)高頻聲音比低頻聲音更容易隔絕，雙層隔聲結(jié)構(gòu)顯著改善隔聲效果。幾種聲

19、學(xué)試驗(yàn)室全消聲室六個面全部鋪設(shè)成高效吸聲材料的房間，模擬近似自由場，沒有反射聲。對于高頻聲的吸收效果明顯，對低頻聲音的吸收取決于房間的體積和吸聲材料厚度等特性。可用于測量聲源聲功率、輻射聲源指向特性等。半消聲室五個面鋪設(shè)吸聲材料，地板為光滑反射面的房間，模擬半 自由場空間，適用于大型機(jī)械和設(shè)備的聲學(xué)測試?；祉懯以谒羞吔缟夏苋糠瓷渎暷?，并充分?jǐn)U散，能形成擴(kuò)散 場的房間?？捎脕頊y量聲源聲功率、材料吸聲系數(shù)等。房間表面盡量不規(guī)則，使混響時(shí)間盡量長，保證聲能充分?jǐn)U散。聲品質(zhì)評價(jià)評價(jià)聲品質(zhì)的最佳方法是組織聽眾進(jìn)行評價(jià)，現(xiàn)已有多種度量方法，都是對聲壓信號作分析計(jì)算，得到與感覺相關(guān)的定 量度量。除了聲壓

20、級，現(xiàn)在常用的還有 響度、尖銳度、粗糙度、 抖動強(qiáng)度、音高、清晰度指數(shù)、語言干擾級、沖擊量等。掩蔽效應(yīng) (Masking effect)一個聲音(被掩蔽音)的聽閾受到另一聲音(掩蔽音)的 干擾而提高的現(xiàn)象。兩個聲音頻率差別達(dá)到一定程度，這種影響會減小。 即強(qiáng)聲易掩蔽弱聲，低頻純音可有效掩蔽高頻純音。窄帶 噪聲掩蔽純音時(shí)臨界頻帶掩蔽作用最明顯。臨界頻帶：噪聲掩蔽純音時(shí)，起作用的是以純音頻率為中 心頻率的一定頻帶內(nèi)的噪聲。如果這頻帶內(nèi)的噪聲功率等于在 噪聲中剛能聽到的該純音的功率，這個頻帶就稱為臨界頻帶。頻域掩蔽：掩蔽聲與被掩蔽聲同時(shí)作用時(shí)，強(qiáng)音會掩蔽其 周圍的弱音。時(shí)域掩蔽：被掩蔽聲發(fā)生在掩蔽聲

21、之前叫前掩蔽，被掩蔽 聲發(fā)生在掩蔽聲之后叫后掩蔽。中心頻率和聲強(qiáng)弱相同時(shí)，窄帶噪聲掩蔽效應(yīng)強(qiáng)于純音。響度( Loudness)響度級的對數(shù)標(biāo)尺導(dǎo)出為線性標(biāo)尺，得到響度， 用 S 表示。單位：Sone。1000Hz的純音聲壓級為 40dB時(shí)響度為ISone。響 度 與 響 度 級 關(guān) 系 ： S 2(P 40) /10P 40 10log 2 S對于穩(wěn)態(tài)聲音響度的計(jì)算，現(xiàn)在得到 ISO 認(rèn)可的分別是由 斯蒂文司( Stevers )和茲維克爾( Zwicker )提出的算法。兩 種方法都是用圖形表示出倍頻程帶聲壓級和倍頻程帶局部響度 間的關(guān)系，且都涉及掩蔽效應(yīng)。尖銳度( Sharpness )

22、尖銳度是聲音是否使人愉悅的一種感覺，評價(jià)聲音是尖銳 還是沉悶( Sharp or Dull )。尖銳度感覺主要與窄帶聲的譜成 分及中心頻率有關(guān)，越是高頻尖銳度越高。 單位：acun(acumer) 的縮寫,1acum的參考聲為1000Hz,聲壓級60dB,帶寬等于一個 臨界帶的窄帶噪聲。某一臨界帶的尖銳度用分量 S'(z)表示，以acums表示總尖 銳度S,總尖銳度S由尖銳度分量S'(z)的積分求出。粗糙度( Roughness) 粗糙度是聲音受幅值調(diào)制時(shí)的聲品質(zhì)評價(jià)指數(shù)，反應(yīng)聲音 幅值調(diào)制特性，與調(diào)制頻率和調(diào)制深度有關(guān)。調(diào)制頻率高于 20Hz 時(shí)表現(xiàn)為粗糙度，用符號 R 表示。 單位： asper(asperity 的縮寫 ) 。規(guī)定1KHz,60dB的純音被70Hz,100%幅值調(diào)制時(shí)為lasper。抖動強(qiáng)度( Fluctuation strength )抖動強(qiáng)度也反應(yīng)聲音幅值調(diào)制特性，調(diào)制頻率低于20Hz時(shí)，可直接感覺到音量隨時(shí)間的變化。與相同有效值的平穩(wěn)信 號相比，抖動信號的感覺更響。在這種情況下感覺到的強(qiáng)度， 稱為“抖動強(qiáng)度” ，用 F 表示，單位： vacil (vacillate 的縮 寫)。規(guī)定1KHz,60dB的純音被4Hz, 100%畐值調(diào)制時(shí)為1vacil。音高( Pitch )音高是聲音的一種屬性, 它以由低至高的標(biāo)尺對音作分類。