聲學(xué)基礎(chǔ)知識

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、電風(fēng)扇的噪聲。機械噪聲由固體振動產(chǎn)生。金屬板、齒輪、軸承等，在設(shè)備運行時受到撞擊、摩擦及各種突變機械力的作用，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，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)點或物體在彈性媒質(zhì)中振動，產(chǎn)生機械波向四周傳播，就形成聲波（聲波是縱波）?？陕犅暡ǖ念l率為?高于 的屬超聲波，低于 的屬次聲波。點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和波長久2=c/f聲速與媒質(zhì)材料和環(huán)境有關(guān)：空氣中，c .或c=20.05J273€t在水中聲速約為 t一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1/2。有時也規(guī)定n/為波數(shù)，用符號K表示。質(zhì)點速度質(zhì)點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)點傳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、擴散場（混響場）、半擴散場（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的聲場稱為自由場。在自由場中任何一點，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，稱為擴散場，或混響場。聲波在擴散場內(nèi)呈全反射。人為設(shè)計的混響室是典型的擴散場。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。自由場擴散場（混響場）自由場半擴散場如果實驗房間很大，以至邊界墻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)點速度與瞬時聲壓不同相，遠(yuǎn)場的質(zhì)點速度與瞬時聲壓同相。距離增加一倍，點聲源聲壓級降 線聲源聲壓級降d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Nm2。聽閾聲壓也稱為基準(zhǔn)聲壓p2 0即標(biāo)準(zhǔn)化額定聽閾，表示有正常聽力的人，平均能聽到的 的最低聲音。在水中Pa通常p和p0指有效值而非瞬時值。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，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一實際聲壓痛閾聲壓和聲壓級分別為p Lp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。兩個同聲壓級非相干聲源疊加，聲壓級增加。工程上遇到問題一般是加 。

不同聲壓級加減法查表：例：L]5d,BL2=51dALd對應(yīng)增量L所以：L1=6，B2=AL=d對應(yīng)減量L所以：計算：例：兩個聲源聲壓級相差 以上,則小的聲壓級影響可忽略。聲強和聲強級聲強單位時間內(nèi)，聲波通過垂直于聲波傳播方向單位面積上的聲能量。用符號I表示，單位為Wm。聲壓變化引起媒質(zhì)質(zhì)點的移動，聲強即是聲壓與質(zhì)點速度的積。對于球面波和平面波，聲強與聲壓的關(guān)系：p—聲壓p—介質(zhì)密度c一聲速W—聲功率r一測量點到點聲源的距離pc一聲阻抗 2時pc （瑞利，Kgms）v一質(zhì)點速度，vppc聲強級一SIL或Lt基準(zhǔn)聲強I 2空氣在室溫時，與基準(zhǔn)聲壓相對應(yīng)的聲強近似等于基準(zhǔn)聲強，因此自由場中，聲強級與聲壓級數(shù)值近似相等；擴散場（混響場）中聲強處處為零。聲功率和聲功率級聲功率單位時間內(nèi)，聲波通過垂直與聲波傳播方向某指定面積的聲能量。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 W距離點聲源距離為r的球面各點聲強I與聲功率W的關(guān)系:聲功率級一SWL或LW基準(zhǔn)聲功率W=1-012WTOC\o"1-5"\h\z對球面波：LWLp 0對半球面波：LWLp r在混響室：LWLS TV ?WSLS—混響場中平均聲壓級V—房間容積T—混響時間，一般指T,聲源停止后聲壓級下降需時間。令令fu/fl=2Nf=噪聲的頻譜倍頻程（a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），每個頻段為一個頻帶，以直方圖表示。ffw二/一/二(2N/2一2—Nul ul一倍頻程，簡稱倍頻程：3三分之一倍頻程；1：2十二分之一倍頻程ffw=f-f=(2N/2-2-N/2)fulul c常見的有倍頻程分析，其中常見的有倍頻程分析最常用。 倍頻程可由線狀譜通過一定綜合運算得出。聲譜頻率為橫坐標(biāo)，聲音的強弱（聲壓級、聲強級或聲功率級）為縱坐標(biāo)，繪制出聲音強弱隨頻率分布的線圖稱為聲音的頻譜，簡稱聲譜。由 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4f這種方法譜線較多,4f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 倍頻程或 倍頻程進(jìn)行分析。用聲譜進(jìn)行分析時，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。 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。計權(quán)聲級響度級和等響曲線人耳對聲音強弱的主管感受，不僅與聲壓級有關(guān)，而且與頻率和波形有關(guān)。工程上，用響度級卩（單位：Phon）來度量這種主觀感覺。對于頻率為 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，是由大量心理學(xué)試驗得出的結(jié)果。純音的等響曲線計權(quán)聲級考慮到人耳對不同頻率的聲音敏感度不同（對?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，叫計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。通過計權(quán)網(wǎng)絡(luò)得到的聲壓級，叫做計權(quán)聲級，簡稱聲級。A、B、C三種計權(quán)網(wǎng)絡(luò)特性，分別對應(yīng)于倒置的4、07、0等響曲線（ 歸一化到 ），其作用是分別反應(yīng)人耳對低、中、高聲壓級的響度感覺。A計權(quán)被證實是人耳對聲壓級主觀反應(yīng)的極好校正。對由A計權(quán)測量的聲級稱為A聲級,記作L或A）近來B計權(quán)、C計權(quán)已很少采用。PAA計權(quán)： 等響曲線的翻轉(zhuǎn)，模擬 以下低強度噪聲特性。B計權(quán)： 等響曲線的翻轉(zhuǎn)，模擬~ 中等強度噪聲特性。C計權(quán)： 等響曲線的翻轉(zhuǎn)，模擬高強度噪聲特性。D計權(quán)：專用于飛機噪聲的測量。標(biāo)準(zhǔn)計權(quán)曲線等效連續(xù)聲級在評定間斷的、脈沖的或隨時間變化的不穩(wěn)定噪聲時，用一段時間內(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計權(quán)聲壓級用LAT或L表示：AeqTATT—總測量時間T=-PA（t）—A計權(quán)瞬時聲壓可用同樣公式計算非A計權(quán)聲壓級信號P（,得到Leq。聲暴露和聲暴露級在規(guī)定時間間隔或過程內(nèi)，隨時間變化的頻率計權(quán)聲壓平方的時間積分。A計權(quán)聲暴露，用符號EA表示。IEujkff^dd/tnp^QIIOelLAiq))，(Pa2s)AA A 00t1t1A對于工作場所的噪聲暴露測量，用帕平方小時為單位會更方便。與Ea對應(yīng)的A計權(quán)聲暴露級用Lae表示:T—基準(zhǔn)時間間隔，E—基準(zhǔn)聲暴露，EpT0傳聲器電容傳聲器金屬膜片感受聲壓變化發(fā)生振動，與背極板之間的電容隨之變化。在極化電壓e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)在膜片厚度可做到卩m兩極距離可做到卩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 傳聲器是內(nèi)置前置放大電路的駐極體傳聲器，可以與 加速度傳感器用同一個電源（如 供電）。傳聲器的保養(yǎng)連接傳聲器時，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。聲級計聲級計是最基本的噪聲測量儀器，是集成設(shè)備，有標(biāo)準(zhǔn)的時間計權(quán)和測量參數(shù)。主要構(gòu)成如圖：普通聲級計（II型）頻率范圍： ? 準(zhǔn)確度土精密聲級計（I型）頻率范圍：? 準(zhǔn)確度土積分聲級計允許測量等效連續(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)、頻率計權(quán)和頻率響應(yīng)、級線性、時間計權(quán)和、猝發(fā)音響應(yīng)、重復(fù)猝發(fā)音響應(yīng)、統(tǒng)計計算功能等。聲強測量的基本原理時域分析對于某r方向，瞬時聲強計算方法：頻域分析由兩個傳聲器信號的互功率譜的虛部可求出聲強?？偟钠骄晱姙镚ab—兩個傳聲器信號的單邊互譜表示取虛部影響聲強測量的主要因素,p €p1有限差分誤差，即善乂存、傳聲器相位適配誤差3、背景噪聲影響雙傳聲器聲強探聲強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小；需要測量的頻率越高，兩個傳聲器探頭距離就要越近,理想的聲強探頭兩個傳聲器應(yīng)具有相同的相位響。聲強計算結(jié)果有正有負(fù)，正負(fù)表示的是聲強的方向。聲壓法測量聲功率級半球包絡(luò)面矩形包絡(luò)面平均聲壓級計算傳聲器在測量表面上均勻分布時，N—測點總數(shù)L!—第i個傳聲器測得的聲壓級iLp—測量表面平均聲壓級L-lp'_—被測聲源工乍期間測量表面的平均聲壓級聲功率級計算S一測量總表面積S0—基準(zhǔn)表面積，m。nr。只有一個反射面時，傳聲器所在的半球表面面積Snrnr。測聲源位于一面墻前時，Snr；如果位于一個墻角上,聲強法測量聲功率原理聲強法測量聲功率原理：測量完全包圍被測聲源測量面上的法向聲強分量，聲功率等于包圍聲源的某一表面的法線方向的聲強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。計算方法i—測量包絡(luò)面的分塊序號，N—測點總數(shù)不少于 個。包聲波入射到吸聲材料表面時，以i,r,t分別表示入射、反射、透射。垂直入射時，/?pr€p吸聲系數(shù)：?=1-Ea<堅硬表面，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=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。E1透射系數(shù)T€L 傳聲損失(隔聲量)TL=101g(_)E Ti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?？捎糜跍y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，使混響時間盡量長，保證聲能充分?jǐn)U散。聲品質(zhì)評價評價聲品質(zhì)的最佳方法是組織聽眾進(jìn)行評價，現(xiàn)已有多種度量方法，都是對聲壓信號作分析計算，得到與感覺相關(guān)的定量度量。除了聲壓級，現(xiàn)在常用的還有響度、尖銳度、粗糙度、抖動強度、音高、清晰度指數(shù)、語言干擾級、沖擊量等。掩蔽效應(yīng)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臨界頻帶掩蔽作用最明顯。臨界頻帶：噪聲掩蔽純音時，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作用時，強音會掩蔽其周圍的弱音。時域掩蔽：被掩蔽聲發(fā)生在掩蔽聲之前叫前掩蔽，被掩蔽聲發(fā)生在掩蔽聲之后叫后掩蔽。中心頻率和聲強弱相同時，窄帶噪聲掩蔽效應(yīng)強于純音。響度（ ）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。 的純音聲壓級為 時響度為 。響度與響度級關(guān)系：S=2（P€40）/10 P=40+10log2S對于穩(wěn)態(tài)聲音響度的計算，現(xiàn)在得到 認(rèn)可的分別是由斯蒂文司（ ）和茲維克爾（ ）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（ ）尖銳度是聲音是否使人愉悅的一種感覺，評價聲音是尖銳還是沉悶（ ）r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：acum的縮寫 的參考聲為 聲壓級，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（ ）粗糙度是聲音受幅值調(diào)制時的聲品質(zhì)評價指數(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)制頻率高于時表現(xiàn)為粗糙度，用符號R表示。單位：asper 的縮寫。規(guī)定 d,的純音被 ， 幅值調(diào)制時為 。抖動強度（ ）抖動強度也反應(yīng)聲音幅值調(diào)制特性，調(diào)制頻率低于時,可直接感覺到音量隨時間的變化。與相同有效值的平穩(wěn)信號相比，抖動信號的感覺