第八章-聲學(xué)分析理論介紹

1、Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲學(xué)分析理論介紹張永強(qiáng) 高級(jí)工程師江蘇泰斯特電子設(shè)備制造有限公司西北工業(yè)大學(xué) 振動(dòng)工程研究所Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲音的分類 音頻聲（audio） 超聲（ultrasonic） 次聲（infrasound）Institute of Vibration Engineering, Northwestern

2、 Polytechnical University, China聲波的分類Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, ChinaInstitute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓的基本概念 設(shè)體積元收到擾動(dòng)后，壓強(qiáng)從 改變到 ，則壓強(qiáng)的變化量稱為聲壓（sound pressure），有：聲壓是時(shí)間和空間的函數(shù)0P1P01PPp),(),(tzyxptrppInstitute o

3、f Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓的基本概念 聲場(chǎng)（sound field）：存在聲壓的空間或聲波所到達(dá)的空間。 瞬時(shí)聲壓：聲場(chǎng)中某一瞬時(shí)的聲壓值。 峰值聲壓：一定時(shí)間間隔內(nèi)最大的瞬時(shí)聲壓值。Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓的基本概念有效聲壓：一定時(shí)間間隔內(nèi)，瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間去均方根值。TedtpTp021Institute of Vibration Engi

4、neering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓的基本概念聲壓的單位：Pa（帕斯卡）2/11mNPa 人耳對(duì)1kHz聲音的可聽閥約為 ； 微風(fēng)吹動(dòng)樹葉的聲音 ； 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音200Pa。Pa5102Pa4102Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China平均聲功率（sound power）單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲傳播方向面積S的平均聲能量。ScW0Institute of Vibration Engineering,

5、 Northwestern Polytechnical University, China聲強(qiáng)（acoustic intensity）單位面積上的平均聲功率0cSWIInstitute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China 聲功率表示聲源輻射聲能量的能力，聲強(qiáng)表示聲場(chǎng)中空間位置上的聲能流。 聲功率的單位是 ； 聲強(qiáng)的單位是 ； 聲強(qiáng)是有方向的，是矢量； 聲強(qiáng)在聲學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用。W2/mWsJW/11Institute of Vibration Engineering, Northwes

6、tern Polytechnical University, China聲壓級(jí)（sound pressure level）)(log1010dBppSPLrefPa5102聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)其中 為待測(cè)聲壓的有效值； 為參考聲壓，空氣中為 。eprefpInstitute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)I

7、nstitute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí) 人耳對(duì)1kHz聲音的可聽閾約0dB； 微風(fēng)吹動(dòng)樹葉的聲音14dB； 交響樂隊(duì)的演奏84dB（相距5m）； 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音（相距5m）140dB。Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)Institute of Vibration Engineering, Northwestern Poly

8、technical University, China聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)級(jí)（sound intendity level）)(log1010dBIISILref空氣中，參考聲強(qiáng)為 ，它是空氣中參考聲壓對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)。212102mWInstitute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)得關(guān)系：0010400log10cSPLSILInstitute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical Univers

9、ity, China聲波的疊加Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China聲波的疊加Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性 在聲學(xué)測(cè)量?jī)x器中，通常根據(jù)等響度曲線，設(shè)置一定的頻率計(jì)權(quán)電網(wǎng)絡(luò)，使接收的聲音按不同程度進(jìn)行頻率濾波，以模擬人耳的響度感覺特性。一般設(shè)置A，B 和C 三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，其中A 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對(duì)40 方純音的響

10、度，當(dāng)信號(hào)通過時(shí)，其低、中頻段（1000Hz 以下）有較大的衰減。B 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對(duì)70 方純音的響度，它對(duì)信號(hào)的低頻段有一定衰減。而C 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對(duì)100 方純音的響度，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)有近乎平直的響度。A、B、C 計(jì)權(quán)的頻率響應(yīng)曲線（計(jì)權(quán)曲線）已由國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）定為標(biāo)準(zhǔn)。Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China 在實(shí)際測(cè)量時(shí)到底用哪一種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)呢？以前曾有規(guī)定，聲級(jí)小于70dB 時(shí)用A 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量，聲級(jí)大于70dB 但小于90dB 時(shí)用B 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量，

11、聲級(jí)大于90dB 時(shí)用C 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量。近年來研究表明，不論噪聲強(qiáng)度多少，利用A 聲級(jí)都能較好地反應(yīng)噪聲對(duì)人吵鬧的主觀感覺和人耳聽力損傷的影響。因此，現(xiàn)在基本上都用A 聲級(jí)來作為噪聲評(píng)價(jià)的基本量，而且如果不另作說明，都是指的A 聲級(jí)。C 聲級(jí)只作為可聽聲范圍的總聲壓級(jí)的讀數(shù)來使用，B 聲級(jí)基本上不用了。有時(shí)只是為了判斷噪聲的頻率特性，才附帶測(cè)量C 聲級(jí)和B 聲級(jí)。因?yàn)槿绻鸄、B、C 三種聲級(jí)基本相同，該噪聲特性是高頻特性；如果C 聲級(jí)與B 聲級(jí)基本相同，但小于A 聲級(jí)，該噪聲為中頻特性；如果C 聲級(jí)大于B 聲級(jí)，B 聲級(jí)又大于A 聲級(jí)，則該噪聲為低頻特性。 在有些聲學(xué)測(cè)量?jī)x器中還具有 D 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

12、。它主要用于航空噪聲的測(cè)量。用D 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的D 聲級(jí)再加上7dB，就直接得到飛機(jī)噪聲的感覺噪聲級(jí)。Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China響度級(jí)和響度 聲壓和聲強(qiáng)都是客觀物理量，聲壓越高，聲音越強(qiáng)；聲壓越低，聲音越弱。但是它們不能完全反映人耳對(duì)聲音的感覺特性。人耳對(duì)聲音的感覺，不僅和聲壓有關(guān)，也和頻率有關(guān)。一般對(duì)高頻聲音感覺靈敏，對(duì)低頻聲音感覺遲鈍，聲壓級(jí)相同而頻率不同的聲音聽起來可能不一樣響。為了既考慮到聲音的物理量效應(yīng)，又考慮到聲音對(duì)人耳聽覺的生理效應(yīng)，把聲音的強(qiáng)度和

13、頻率用一個(gè)量統(tǒng)一起來，人們仿照聲壓級(jí)引出了一個(gè)響度級(jí)的概念。 使用等響實(shí)驗(yàn)方法，可以得到一族不同頻率、不同聲壓級(jí)的等響度曲線。實(shí)驗(yàn)時(shí)用1000Hz 的某一強(qiáng)度（例如40dB）的聲音為基準(zhǔn)，用人耳試聽的辦法與其它頻率（例如100Hz）聲音進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)此聲音的聲壓級(jí)，使它與1000Hz 聲音聽起來響度相同，記下此頻率的聲壓級(jí)（例如50dB）。再用其它頻率試驗(yàn)并記下它們與1000Hz 聲音響度相等的聲壓級(jí)，將這些數(shù)據(jù)畫在坐標(biāo)上，就得到一條與1000Hz、40dB 聲壓級(jí)等響的曲線。這條曲線用1000Hz時(shí)的聲壓級(jí)數(shù)值來表示它們的響度級(jí)值，單位為方，這里就是40 方。同樣以1000Hz 其它聲壓級(jí)的

14、聲音為基準(zhǔn)，進(jìn)行不同頻率的響度比較，可以得出其它的等響度曲線。經(jīng)過大量試驗(yàn)得到的并由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）推薦為標(biāo)準(zhǔn)的等響度曲線。Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China等響度曲線Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China從等響度曲線可以看出：（1）當(dāng)響度級(jí)比較低時(shí)，低頻段等響度曲線彎曲較大，也就是不同頻率的響度級(jí)（方值）與聲壓級(jí)（dB 值）相關(guān)很大，例如同

15、樣40 方響度級(jí)，對(duì)1000Hz 聲音來說聲壓級(jí)是40dB，對(duì)100Hz 聲音是50dB，對(duì)40Hz 聲音是70dB，對(duì)20Hz 聲音是90dB。（2）當(dāng)響度級(jí)高于100 方時(shí)，等響度曲線變得比較平坦，也就是聲音的響度級(jí)主要決定于聲壓級(jí)，與頻率關(guān)系不大。（3）人耳對(duì)高頻聲音，特別是30004000Hz 的聲音最敏感，而對(duì)低頻聲音則頻率越低越不敏感。 響度級(jí)雖然定量地確定了響度感覺與頻率和聲壓級(jí)的關(guān)系，但是卻未能確定這個(gè)聲音比那個(gè)聲音響多少。例如一個(gè)80 方的聲音比另一個(gè)50 方的聲音究竟響幾倍？為此人們引出了響度的概念。1947 年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用了一個(gè)新的主觀評(píng)價(jià)量宋，并以40 方為1宋。響度級(jí)每增加10 方，響度增加一倍，如50 方為2 宋，60 方為4 宋等。lgS=0.03(LN-40)式中：S 是響度（宋），LN 是響度級(jí)（方）。Institute of Vibration Engineering, Northwestern Polytechnical University, China 倍頻程（倍頻程（octave)： 頻率比為2的兩頻率之間的區(qū)間。 1/3倍頻程（倍頻程（one-third octave)： 頻率比為 (1.2