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聲學測量基礎知識分享

文章出處：技術資訊網責任編輯admin 閱讀量：發表時間：2021-06-10 16:44

聲學測量按目的可分為：聲學特性研究（聲學特性研究、媒質特性研究、聲波發射與接收的研究、測量方法與手段的研究、聲學設備的研究），聲學性能評價和改善（聲學特性評價、媒質特性評價）兩類；按實驗設備、場所分類又可分為實驗室測量和外場測量。
聲學測量的難點
環境因素影響大；測量信號復雜；測量空間多樣；測量精度低、量值傳遞誤差大；測量頻域范圍寬；外場實驗困難；測量結果多用分貝表示。
傳聲器按工作原理可分為電動式和靜電式：電動傳聲器，是以電磁感應為原理，以在磁場中運動的導體上獲得輸出電壓的傳聲器，常見的有動圈式和帶式兩種。靜電傳聲器，是以電場變化為原理的傳聲器，常見的有電容式和壓電式兩種。傳聲器按與音響設備連接方式，又可分為：有線傳聲器和無線傳聲器。
傳聲器聲壓靈敏度，是指實際作用在傳聲器膜片上的聲壓與其開路輸出電壓之比。傳聲器靈敏度可分為聲場靈敏度和聲壓靈敏度，而聲場靈敏度又可分為平面自由聲場靈敏度和擴散聲場靈敏度。
傳聲器平面自由聲場靈敏度，是指在給定頻率的正弦聲波激勵下，傳聲器的開路輸出電壓與傳聲器放入聲場以前傳聲器中心位置上平面自由聲場聲壓之比；
傳聲器擴散聲場靈敏度，是指傳聲器的開路輸出電壓與傳聲器放入擴散聲場之前在傳聲器放置位置上的擴散聲場聲壓之比。
聲壓靈敏度與聲場靈敏度的區別：兩者的頻響曲線不同，特別在高頻端；
使用場合不同。平面自由場靈敏度用于消聲室等自由場環境下測試，而擴散聲場靈敏度則用于擴散場中，聲壓靈敏度用于仿真等耳腔室內測量使用；校準方法不同。自由聲場靈敏度在消聲室采用互易法校準，聲壓靈敏度在耦合腔中采用互易法校準。
傳聲器的靈敏度隨聲波入射方向而變化的特性，傳聲器的指向性常用指向性圖、指向性指數和指向性頻率響應來表示。傳聲器指向性圖：在某一頻率下的靈敏度隨聲波入射角的變化，用極坐標表示所得的曲線。傳聲器的指向性指數：傳聲器某一頻率的正向自由場靈敏度的平方與其同頻率的擴散場靈敏度平方之比。用對數表示則為傳聲器的指向性指數。傳聲器的頻率響應：指在某一確定的聲場中，聲波以一指定的方向入射，并保持聲壓恒定時，傳聲器的開路輸出電壓隨頻率變化的曲線。
傳聲器的頻率響應根據使用的場合不同可分為：自由場頻率響應：傳聲器置于自由聲場中，其平面自由場靈敏度隨頻率變化的曲線。聲壓頻率響應：當傳聲器的聲壓靈敏度與頻率之間的關系以聲壓靈敏度頻率響應曲線來表示。擴散場頻率響應：當傳聲器的擴散場靈敏度與頻率之間的關系，以傳聲器擴散場靈敏度頻率響應曲線來表示。
某一傳聲器的實際頻響曲線與典型頻響曲線相比，偏差在允許的范圍內的最大頻率間隔。對于每一類型的傳聲器，生產廠家都要給出一個典型的頻率響應曲線的范圍，并且為了保證其產品一致性，還需要規定實際頻響曲線與典型頻響曲線允許的誤差。
每只傳聲器都有一定的內阻抗，從輸出端測得的內阻抗的模就是傳聲器輸出阻抗。一般以頻率為1000Hz的阻抗值為標稱值。
指傳聲器所能接收聲音的大小，以傳聲器的最高聲壓級減去等效噪聲級就是該傳聲器的動態范圍。其上限受到失真的限制，下限受到固有噪聲的限制。
全消聲室
六個面全鋪設高效吸聲材料的房間；模擬近似自由場環境，沒有反射聲；可用于測量聲源聲功率、輻射聲源的指向特性等；對高頻聲的吸收效果明顯，對低頻聲的吸收取決于房間體積及吸聲材料的厚度等特性。
半消聲室五個面鋪設吸聲材料，地面為光滑反射面的房間；模擬半自由聲場空間；適用于對大型設備和機器進行聲學測試。
混響室在所有邊界上能全部反射聲能，并在其中充分擴散，能形成在各處能量密度均勻、在各傳播方向作無規分布的擴散場的房間；可用來測量聲源聲功率、材料吸聲系數等；房間表面盡量不規則，以使混響時間盡量長，保證聲能充分擴散。
混響室法聲源的聲功率
混響室：一間體積較大（大于200m³)，墻的隔聲和地面隔振都很好的特殊實驗室，壁面堅實光滑，反射系數大于0.98，則室內離聲源r 點的聲壓級為：

式中，Lw 為聲源的聲功率級；R 為房間常數；Rθ 為聲源的指向性因數，其中4/R 反射聲壓，Rθ/4πr² 為直達聲壓。
房間常數R 表示這個房間對聲音的處理能力，與房間的墻面面積和吸音能力有關。

式中，S 為混響室內各面的總面積；a 為平均吸聲系數；Rθ 聲源的指向性因數（取決于與聲源與接收點的相對關系）
當聲源在房間中央，以球面方式輻射，Rθ=1；
以半球面方式輻射，Rθ=2；
聲源置于兩墻面交接上，以1/4輻射，Rθ=4。
需要注意的是，在混響室內只要離開聲源一定的距離，即在混響場內，與房間有關的反射聲壓遠大于直達聲壓。
公式可近似寫為：

混響場內，實際聲壓級不是完全相等的，必須取幾個測點的聲壓級，求平均值

圖片。
被測聲源的聲功率級為：

注意

的計算：

消聲室法測聲功率
將聲源放置在消聲室或半消聲室內進行測量的方法，其與混響室正好相反，內壁裝有吸聲材料能吸收98%以上的入射聲能。消聲室內的聲場稱為自由場。
測量時設想有一包圍聲源的包絡面，將聲源完全封閉其中，將包絡面分為n 個面元，每個面元的面積為ΔSi，測定每個面元上的聲壓級Lpi，則得：

其中，包絡面總面積

平均聲壓級：

聲管測量材料性能
脈沖管法 (水聲測量)
脈沖管主要用來測定無源材料的復反射系數，由此可以導出材料的其他聲學特性參數，如聲阻抗、縱波聲速、衰件系數等，也可以用來測量插入損失IL 和回聲降低Er。

(1) 脈沖管法對設備的要求
對聲管的要求
管材：金屬（最好為不銹鋼），彈性模量應較大。
管壁厚：應大于等于內半徑，即b-a/a≥1（b 外徑，a 內徑）。
管內徑：根據聲波導理論，應為1.84cw/2πfH，約為λ/4。
管長：由聲波導理論，應為5cw/2fL，約為5λ。
管中：應充滿除氣、清潔的蒸餾水。
管垂直度：應用水平儀進行校準。
對換能器的要求
聲功率：在使用頻率范圍內，有穩定的聲功率輸出。
輻射：應為平面波，采用平面活塞式使振動速度軸對稱分布。
安裝：與剛管間有良好的聲學隔離，以減弱換能器激發管壁振動。
對樣品的要求
形狀：圓柱形，平板樣品。
尺寸：使樣品與聲管內壁之間間隙＜0.2mm。
厚度：在 (0.3~0.6)λ 范圍內，λ 為聲波在樣品中傳播的波長。
表面：平整，厚度一致。
對標準反射體的要求
一般采用不銹鋼，其厚度為測試中心頻率的四分之一波長。
(2) 復反射系數的測量
在給定的測試頻率上，分別測出放與不放樣品時，換能器收到的第一次反射脈沖幅值A1 和A2 以及相應的相位Φ1 和Φ2，則有：

聲軟末端：

聲硬末端：

(3) 縱波聲速c 和衰減系數α 的測量
根據傳輸線理論，被測樣品從聲波入射方向看進去的阻抗為：
聲軟末端：

聲硬末端：

式中，Zin 為樣品輸入阻抗；α 為材料的衰減系數；c 為材料的縱波聲速；d 為樣品厚度；ω 為角頻率；ρ 為材料密度。
由樣品前界面的反射系數，可求出樣品的輸入阻抗為：

式中，ρw、Cw 為聲管中水的密度與聲速；R、φ 為樣品反射系數的模與相角。
聲軟末端：

聲硬末端：

如果對于聲軟末端，若設u=αd，v=ωd/c，則

當測得R，φ 后，即可得出R0，X0。

這樣，即可解得u、v，進而得到縱波聲速c 和衰減系數α。
2駐波管法
駐波管也是無源材料性能參量測試中常應用的一種裝置。工作時，由管的一端換能器發射連續聲信號，被樣品反射后在管中形成駐波，采用可移動的探針式換能器測量管中駐波參數，即可確定被測樣品的復反射系數、法向吸聲系數和法向聲阻抗率等參量。
(1) 駐波管法設備框圖

(2) 對測量設備的要求
對駐波管的要求：內壁光滑而堅硬，截面均勻；圓形管，內徑＜0.586λ；矩形管，長邊邊長＜0.5λ；其它要求在水聲中與脈沖管近似。
(3) 復反射系數的測量
在給定的頻率上，調整探針傳聲器沿管軸移動，測出第一個和第二個聲壓極小值的位置，以及聲壓的極大值和極小值。有：

其中，x0、x1 為第一、二聲壓極小值的位置。
推導：
聲管中距離樣品x 處的聲壓：

而復反射系數有：

所以

如果設

S 是駐波比，則：

而相位角可由第一個極小值的位置來確定，因為：

所以

但通過測量駐波管中的波長求相位角精度不高，所以，通過測量兩個極小值點的方法可以得到相位角。

所以

3、傳遞函數法 (雙水聽器駐波管法)

(1) 采用純音激勵測量復反射系數
在水聽器1和2處聲場聲壓為：

解方程：

所以

傳遞函數：

(2) 采用寬帶、穩態隨機噪聲激勵

注意：頻率分析、統計平均方法處理數據。
應用類及外場測量
1聲級計測量
聲級計又叫噪聲計，是一種按照一定的頻率計權和時間計權測量聲音的聲壓級和聲級的儀器，是聲學測量中最常用的基本儀器，是一種主觀性的電子儀器。國標中關于噪聲的測量大部分可以利用聲級計完成。

聲級計工作方框圖

2機動車輛噪聲測量方法
(1) 車外噪聲測量
主要包括：測量條件、測量場地及測點位置、加速行駛車外噪聲測量方法、勻速行駛的車外噪聲測量方法。以下為我國機動車輛允許噪聲標準。
表汽車定置噪聲限值（GB16170—1996）單位：dB(A)

注：P為按生產廠家規定的額定功率。

車外噪聲測量場地示意圖

摩托車測量場地示意圖

(2) 車內噪聲測量
主要分為車內噪聲測量條件，車內噪聲測點位置，測量方法。

駕駛室內噪聲測量示意圖
聲陣列測量 (聲全息、波束形成、聲聚焦)
1聲全息技術
分為常規聲全息、近場聲全息、遠場聲全息，其中近場聲全息 (Nearfield acoustic holography，簡稱NAH) 適用面最廣，分辨率最高，可操作性最強。其基本原理是，在緊靠被測聲源物體表面的測量面上記錄全息數據，然后通過空間聲場變換算法重構三維空間空間聲場。
NAH空間變換算法有二維Fourier 變換法、邊界元法 (BEM)、Helmholtz 最小二乘法 (HELS)。

亥姆霍茲方程

解為：

格林函數在面上也必須滿足狄里克雷邊界條件平面波，取格林函數具有如下形式：

二維空間FFT變換

二維空間FFT變換后

其中：

高波數區，聲波變為幅度隨距離按指數衰減的衰減波或耗散波，不能形成平面波；對于柱面波和球面波，同樣可以利用上述原理，分別用柱面波和球面波赫姆霍茨方程反演出源面聲場，其表達式分別是bessel 函數和hankle 函數的組合。
測量過程中傳聲器的間距也必須符合空間抽樣定律，考慮平面等距分布。則測量頻率上限為：

取兩者中的小者作為能準確重建的最大頻率

波束的形成
采用由一組在空間固定位置上分布的傳聲器組成的陣列對空間聲場進行測量，通過對每個固定位置上的傳聲器測得的聲壓脈動信號進行特殊的處理，就可以獲得詳細的有關聲場的聲源信息。在信號處理學科，這種對傳聲器陣列信號的處理算法稱為“波束形成 (Beamforming) "，而傳聲器陣列的聚焦方向稱為“波束”（或稱為主波瓣）。

聚焦方向輻射信號同向相加，得以增強；而其他不同方向上的信號因為不是同向相加，則會減弱。波束形成的輸出為：

球面波假設的波束形成方法

則波束形成方法的計算公式為：

頻域波束形成算法

波束形成的頻域計算公式為：

進行歸一化，平面波和球面波的頻域波束形成表達式為：

兩種算法的優缺點
基于平面波的延時求和算法是最簡單、最常用的波束形成方法，其計算原理易于理解，一般以此為基礎來闡述波束形成方法的基本原理。但是時域的波束形成方法只能計算整個分析頻段內聲源的總體分布情況，而不能單獨分析某窄帶頻域內的聲源分布情況。
頻域波束形成算法恰好彌補時域算法的缺點，可以計算某窄帶頻域內的聲源分布情況。利用頻域算法，可以得到不同頻率的噪聲源詳細分布狀況，有利于更深入了解整個噪聲場，分析噪聲產生的原因。
陣列的指向性函數為：