声学测量基础知识分享

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一、声学测量的分类和难点

1、声学测量的分类
声学测量按目的可分为：声学特性研究（声学特性研究、媒质特性研究、声波发射与接收的研究、测量方法与手段的研究、声学设备的研究），声学性能评价和改善（声学特性评价、媒质特性评价）两类；按实验设备、场所分类又可分为实验室测量和外场测量。

2、声学测量的难点
  · 环境因素影响大；

  · 测量信号复杂；

  · 测量空间多样；

  · 测量精度低、量值传递误差大；

  · 测量频域范围宽；

  · 外场实验困难；

  · 测量结果多用分贝表示。

二、换能器 (声源)、传声器、测量仪器

1、传声器的分类
传声器按工作原理可分为电动式和静电式：

  · 电动传声器，是以电磁感应为原理，以在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器，常见的有动圈式和带式两种。

  · 静电传声器，是以电场变化为原理的传声器，常见的有电容式和压电式两种。

传声器按与音响设备连接方式，又可分为：有线传声器和无线传声器。

2、传声器的灵敏度
传声器声压灵敏度，是指实际作用在传声器膜片上的声压与其开路输出电压之比。传声器灵敏度可分为声场灵敏度和声压灵敏度，而声场灵敏度又可分为平面自由声场灵敏度和扩散声场灵敏度。

  · 传声器平面自由声场灵敏度，是指在给定频率的正弦声波激励下，传声器的开路输出电压与传声器放入声场以前传声器中心位置上平面自由声场声压之比；

  · 传声器扩散声场灵敏度，是指传声器的开路输出电压与传声器放入扩散声场之前在传声器放置位置上的扩散声场声压之比。

声压灵敏度与声场灵敏度的区别
  · 两者的频响曲线不同，特别在高频端；

  · 使用场合不同。平面自由场灵敏度用于消声室等自由场环境下测试，而扩散声场灵敏度则用于扩散场中，声压灵敏度用于仿真等耳腔室内测量使用；

  · 校准方法不同。自由声场灵敏度在消声室采用互易法校准，声压灵敏度在耦合腔中采用互易法校准。

传声器的指向性
传声器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性，传声器的指向性常用指向性图、指向性指数和指向性频率响应来表示。

  · 传声器指向性图：在某一频率下的灵敏度随声波入射角的变化，用极坐标表示所得的曲线。

  · 传声器的指向性指数：传声器某一频率的正向自由场灵敏度的平方与其同频率的扩散场灵敏度平方之比。用对数表示则为传声器的指向性指数。

  · 传声器的频率响应：指在某一确定的声场中，声波以一指定的方向入射，并保持声压恒定时，传声器的开路输出电压随频率变化的曲线。

传声器的频率响应根据使用的场合不同可分为：

  · 自由场频率响应：传声器置于自由声场中，其平面自由场灵敏度随频率变化的曲线。

  · 声压频率响应：当传声器的声压灵敏度与频率之间的关系以声压灵敏度频率响应曲线来表示。

  · 扩散场频率响应：当传声器的扩散场灵敏度与频率之间的关系，以传声器扩散场灵敏度频率响应曲线来表示。

有效频率范围
某一传声器的实际频响曲线与典型频响曲线相比，偏差在允许的范围内的最大频率间隔。对于每一类型的传声器，生产厂家都要给出一个典型的频率响应曲线的范围，并且为了保证其产品一致性，还需要规定实际频响曲线与典型频响曲线允许的误差。

传声器输出阻抗
每只传声器都有一定的内阻抗，从输出端测得的内阻抗的模就是传声器输出阻抗。一般以频率为1000Hz的阻抗值为标称值。

传声器的动态范围
指传声器所能接收声音的大小，以传声器的最高声压级减去等效噪声级就是该传声器的动态范围。其上限受到失真的限制，下限受到固有噪声的限制。

三、混响室、消声室测量材料性能

1、全消声室
  · 六个面全铺设高效吸声材料的房间；

  · 模拟近似自由场环境，没有反射声；

  · 可用于测量声源声功率、辐射声源的指向特性等；

  · 对高频声的吸收效果明显，对低频声的吸收取决于房间体积及吸声材料的厚度等特性。

2、半消声室
  · 五个面铺设吸声材料，地面为光滑反射面的房间；

  · 模拟半自由声场空间；

  · 适用于对大型设备和机器进行声学测试。

3、混响室
  · 在所有边界上能全部反射声能，并在其中充分扩散，能形成在各处能量密度均匀、在各传播方向作无规分布的扩散场的房间；

  · 可用来测量声源声功率、材料吸声系数等；

  · 房间表面尽量不规则，以使混响时间尽量长，保证声能充分扩散。

混响室法声源的声功率
混响室：一间体积较大（大于200m3)，墙的隔声和地面隔振都很好的特殊实验室，壁面坚实光滑，反射系数大于0.98，则室内离声源r 点的声压级为：

式中，Lw 为声源的声功率级；R 为房间常数；Rθ 为声源的指向性因数，其中4/R 反射声压，Rθ/4πr2 为直达声压。

房间常数R 表示这个房间对声音的处理能力，与房间的墙面面积和吸音能力有关。

式中，S 为混响室内各面的总面积；a 为平均吸声系数；Rθ 声源的指向性因数（取决于与声源与接收点的相对关系）

  · 当声源在房间中央，以球面方式辐射，Rθ=1；

  · 以半球面方式辐射，Rθ=2；

  · 声源置于两墙面交接上，以1/4辐射，Rθ=4。

需要注意的是，在混响室内只要离开声源一定的距离，即在混响场内，与房间有关的反射声压远大于直达声压。

公式可近似写为：

混响场内，实际声压级不是完全相等的，必须取几个测点的声压级，求平均值 。

被测声源的声功率级为：

注意 的计算：

消声室法测声功率
将声源放置在消声室或半消声室内进行测量的方法，其与混响室正好相反，内壁装有吸声材料能吸收98%以上的入射声能。消声室内的声场称为自由场。

测量时设想有一包围声源的包络面，将声源完全封闭其中，将包络面分为n 个面元，每个面元的面积为ΔSi，测定每个面元上的声压级Lpi，则得：

其中，包络面总面积

平均声压级：

四、声管测量材料性能

1、脉冲管法 (水声测量)
脉冲管主要用来测定无源材料的复反射系数，由此可以导出材料的其他声学特性参数，如声阻抗、纵波声速、衰件系数等，也可以用来测量插入损失IL 和回声降低Er。

(1) 脉冲管法对设备的要求

对声管的要求
  · 管材：金属（最好为不锈钢），弹性模量应较大。

  · 管壁厚：应大于等于内半径，即b-a/a≥1（b 外径，a 内径）。

  · 管内径：根据声波导理论，应为1.84cw/2πfH，约为λ/4。

  · 管长：由声波导理论，应为5cw/2fL，约为5λ。

  · 管中：应充满除气、清洁的蒸馏水。

  · 管垂直度：应用水平仪进行校准。

对换能器的要求
  · 声功率：在使用频率范围内，有稳定的声功率输出。

  · 辐射：应为平面波，采用平面活塞式使振动速度轴对称分布。

  · 安装：与刚管间有良好的声学隔离，以减弱换能器激发管壁振动。

对样品的要求
  · 形状：圆柱形，平板样品。

  · 尺寸：使样品与声管内壁之间间隙＜0.2mm。

  · 厚度：在 (0.3~0.6)λ 范围内，λ 为声波在样品中传播的波长。

  · 表面：平整，厚度一致。

对标准反射体的要求
一般采用不锈钢，其厚度为测试中心频率的四分之一波长。

(2) 复反射系数的测量

在给定的测试频率上，分别测出放与不放样品时，换能器收到的第一次反射脉冲幅值A1 和A2 以及相应的相位Φ1 和Φ2，则有：

声软末端：

声硬末端：

(3) 纵波声速c 和衰减系数α 的测量

根据传输线理论，被测样品从声波入射方向看进去的阻抗为：

声软末端：

声硬末端：

式中，Zin 为样品输入阻抗；α 为材料的衰减系数；c 为材料的纵波声速；d 为样品厚度；ω 为角频率；ρ 为材料密度。

由样品前界面的反射系数，可求出样品的输入阻抗为：

式中，ρw、Cw 为声管中水的密度与声速；R、φ 为样品反射系数的模与相角。

声软末端：

声硬末端：

如果对于声软末端，若设u=αd，v=ωd/c，则

当测得R，φ 后，即可得出R0，X0。

这样，即可解得u、v，进而得到纵波声速c 和衰减系数α。

2、驻波管法
驻波管也是无源材料性能参量测试中常应用的一种装置。工作时，由管的一端换能器发射连续声信号，被样品反射后在管中形成驻波，采用可移动的探针式换能器测量管中驻波参数，即可确定被测样品的复反射系数、法向吸声系数和法向声阻抗率等参量。

(1) 驻波管法设备框图

(2) 对测量设备的要求

对驻波管的要求：

  · 内壁光滑而坚硬，截面均匀；

  · 圆形管，内径＜0.586λ；

  · 矩形管，长边边长＜0.5λ；

  · 其它要求在水声中与脉冲管近似。

(3) 复反射系数的测量

在给定的频率上，调整探针传声器沿管轴移动，测出第一个和第二个声压极小值的位置，以及声压的极大值和极小值。有：

其中，x0、x1 为第一、二声压极小值的位置。

推导：
声管中距离样品x 处的声压：

而复反射系数有：

所以

如果设

S 是驻波比，则：

而相位角可由第一个极小值的位置来确定，因为：

所以

但通过测量驻波管中的波长求相位角精度不高，所以，通过测量两个极小值点的方法可以得到相位角。

所以

3、传递函数法 (双水听器驻波管法)

(1) 采用纯音激励测量复反射系数

在水听器1和2处声场声压为：

解方程：

所以

传递函数：

(2) 采用宽带、稳态随机噪声激励

注意：频率分析、统计平均方法处理数据。

五、应用类及外场测量

1、声级计测量
声级计又叫噪声计，是一种按照一定的频率计权和时间计权测量声音的声压级和声级的仪器，是声学测量中最常用的基本仪器，是一种主观性的电子仪器。国标中关于噪声的测量大部分可以利用声级计完成。

声级计工作方框图

2、机动车辆噪声测量方法

(1) 车外噪声测量

主要包括：测量条件、测量场地及测点位置、加速行驶车外噪声测量方法、匀速行驶的车外噪声测量方法。以下为我国机动车辆允许噪声标准。

表 汽车定置噪声限值（GB16170—1996） 单位：dB(A)

注：P为按生产厂家规定的额定功率。

车外噪声测量场地示意图

摩托车测量场地示意图

(2) 车内噪声测量

主要分为车内噪声测量条件，车内噪声测点位置，测量方法。

驾驶室内噪声测量示意图

六、声阵列测量 (声全息、波束形成、声聚焦)

1、声全息技术
分为常规声全息、近场声全息、远场声全息，其中近场声全息 (Nearfield acoustic holography，简称NAH) 适用面最广，分辨率最高，可操作性最强。其基本原理是，在紧靠被测声源物体表面的测量面上记录全息数据，然后通过空间声场变换算法重构三维空间空间声场。

NAH空间变换算法有二维Fourier 变换法、边界元法 (BEM)、Helmholtz 最小二乘法 (HELS)。

亥姆霍兹方程

解为：

格林函数在面上也必须满足狄里克雷边界条件平面波，取格林函数具有如下形式：

二维空间FFT变换

二维空间FFT变换后

其中：

高波数区，声波变为幅度随距离按指数衰减的衰减波或耗散波，不能形成平面波；对于柱面波和球面波，同样可以利用上述原理，分别用柱面波和球面波赫姆霍茨方程反演出源面声场，其表达式分别是bessel 函数和hankle 函数的组合。

测量过程中传声器的间距也必须符合空间抽样定律，考虑平面等距分布。则测量频率上限为：

取两者中的小者作为能准确重建的最大频率

2、波束的形成
采用由一组在空间固定位置上分布的传声器组成的阵列对空间声场进行测量，通过对每个固定位置上的传声器测得的声压脉动信号进行特殊的处理，就可以获得详细的有关声场的声源信息。在信号处理学科，这种对传声器阵列信号的处理算法称为“波束形成 (Beamforming) "，而传声器阵列的聚焦方向称为“波束”（或称为主波瓣）。

聚焦方向辐射信号同向相加，得以增强；而其他不同方向上的信号因为不是同向相加，则会减弱。波束形成的输出为：

球面波假设的波束形成方法

则波束形成方法的计算公式为：

频域波束形成算法
波束形成的频域计算公式为：

进行归一化，平面波和球面波的频域波束形成表达式为：

两种算法的优缺点
基于平面波的延时求和算法是最简单、最常用的波束形成方法，其计算原理易于理解，一般以此为基础来阐述波束形成方法的基本原理。但是时域的波束形成方法只能计算整个分析频段内声源的总体分布情况，而不能单独分析某窄带频域内的声源分布情况。

频域波束形成算法恰好弥补时域算法的缺点，可以计算某窄带频域内的声源分布情况。利用频域算法，可以得到不同频率的噪声源详细分布状况，有利于更深入了解整个噪声场，分析噪声产生的原因。

阵列的指向性函数为：

主瓣宽度估计：

在测量距离z 处，阵列最小的分辨率定义为：

估算式：

当聚焦的方向偏离阵列轴线30度以上时，阵列分辨率的数值急剧增加，比聚焦阵列轴线时的分辨率值高 50％以上。

阵元的最小间距：

均匀线性阵列的指向性函数来推导空间采样中阵元的间距

满足下式的所有θ 都可使式取得最大值

为了不出现虚假主瓣：

几种声阵列

几种声阵列指向性（3000Hz）

3、声聚焦
NAH主要针对近场、中低频的声源识别定位，而波束形成方法有效地弥补了NAH 在高频和中、长距离的不足，但仅能识别定位声源X、Y 的坐标。

声聚焦主要在近场声全息的测量的基础上，再利用波束形成理论对声源进一步聚焦，获得更为清晰的声场测量结果。

来源：整理自百度文库《声学基本原理及声学测量》PPT，由11003221分享。