噪聲測試和監(jiān)測

第四章噪聲測試和監(jiān)測4.1測量儀器4.1.1聲級計在噪聲測量中聲級計是常用的基本聲學儀器。它是一種可測量聲壓級的便攜式儀器。表4-1聲級計分類類型

精密級

普通級0ⅠⅡⅢ精度±0.4dB±0.7dB±1.0dB±1.5dB用途實驗室標準儀器聲學研究現(xiàn)場測量監(jiān)測、普查聲級計一般由傳聲器、放大器、衰減器、計權(quán)網(wǎng)絡(luò)、檢波器和指示器等組成。1.傳聲器這是一種將聲壓轉(zhuǎn)換成電壓的聲電換能器。2.放大器聲級計的放大器部分，要求在音頻范圍內(nèi)響應平直，有足夠低的本底噪聲，精密聲級計的聲級測量下限一般在24dB左右。聲級計內(nèi)的放大器，要求具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，并有較小的線性失真，放大系統(tǒng)一般包括輸入放大器和輸出放大器兩組。3.衰減器聲級計的量程范圍較大，一般為25~130dB。但檢波器和指示器不可能有這么寬的量程范圍，這就需要設(shè)置衰減器，其功能是將接到的強信號給予衰減，以免放大器過載。為了提高信噪比，將衰減器分為輸入衰減器和輸出衰減器。輸入衰減器放在第一組放大器前面．作用是將接收的強信號衰減，不使輸入放大器過載。由于輸入衰減器不能降低第一組放大器所產(chǎn)生的噪聲，信噪比指標不好，而輸出衰減器接在第一組放大器和第二組放大器之間，獲得的信噪比指標好，所以使用時輸出衰減器盡量處在最大衰減位置。4.濾波器所謂濾波器就是把所需要測量的聲音頻譜劃分成許多頻帶，可以逐次允許某一頻帶聲音通過，而將其余成分聲音濾去。聲級計中的濾波器包括A、B、C、D計權(quán)網(wǎng)絡(luò)和1/1倍頻程或1/3倍頻程濾波器。5.聲級計的主要附件（1）防風罩：在室外測量時，為避免風噪聲對測量結(jié)果的影響，在傳聲器上罩一個防風罩，通?？山档惋L噪聲10~20dB。（2）鼻形錐：若要在穩(wěn)定的高速氣流中測量噪聲，應在傳聲器上裝配鼻形錐，使錐的尖端朝向來流，從而降低氣流擾動產(chǎn)生的影響。（3）延長電纜：當測量精度要求較高或在某些特殊情況下，測量儀器與測試人員相距較遠。這時可用一種屏蔽電纜連接電容傳聲器和聲級計。6.聲級計的校準為保證測量的準確性，聲級計使用前后要進行校準，通常使用活塞發(fā)生器、聲級校準器或其他聲壓校準儀器對聲級計進行校準。使用聲級計測量應注意的事項（1）背景噪聲的影響：背景噪聲會影響測量準確性。（2）反射聲的影響：聲源附近或傳聲器周圍有較大的反射體時，會給測量帶來較大的誤差。如墻壁、地面、機械設(shè)備、人體等都是反射體。測量時，傳聲器應盡量遠離反射體，最好距離在1米以外。（3）環(huán)境的影響：在野外測量時，風吹到傳聲器使膜片上的壓力發(fā)生變化，從而引起風噪聲，影響測量的準確性。此時可使用風罩。4.2聲強及聲功率測量4.2.1聲強測量及應用運用加（減）法器、乘法器和積分器等電路模塊，就可根據(jù)式（4-2），求出聲強平均值?；スβ首V方法也是計算聲強的一種通用方法。聲強測量的用處很多，由于聲強是一個矢量，因此聲強測量可用來鑒別聲源和判定它的方位，可以畫出聲源附近聲能流動路線，可以測定吸聲材料的吸聲系數(shù)和墻體的隔聲量，甚至在現(xiàn)場強背景噪聲條件下，通過測量包圍聲源的封閉包絡(luò)面上各面元的聲強矢量求出聲源的聲功率。目前，大致有三類聲強測量儀器：4.2.2聲功率的測量聲源的聲功率是聲源在單位時間內(nèi)發(fā)出的總能量。它與測點離聲源的距離以及外界條件無關(guān)，是噪聲源的重要聲學量。測量聲功率有三種方法：混響室法、消聲室或半消聲室法、現(xiàn)場法。一、室內(nèi)聲場為便于分析研究，通常把房間內(nèi)的聲場分解成兩部分：從聲源直接到達受聲點的直達聲形成的聲場叫直達聲場；經(jīng)過房間壁面一次或多次反射后到達受聲點的反射聲形成的聲場叫混響聲場。聲音不斷從聲源發(fā)出，又經(jīng)過壁面及空氣的不斷吸收，當聲源在單位時間內(nèi)發(fā)出的聲能等于被吸收的聲能，房間的總聲能就保持一定。若這時候房間內(nèi)聲能密度處處相同，而且在任一受聲點上，聲波在各個傳播方向作無規(guī)分布的聲場叫擴散聲場。一些大的廳堂里欣賞音樂，常產(chǎn)生有“余音繞梁，三日不絕”的感受，這就是混響造成的效果。1、平均自由程設(shè)混響聲場是理想的擴散聲場。在室內(nèi)聲場中，聲波每相鄰兩次反射所經(jīng)過的路程稱作自由程。室內(nèi)自由程的平均值稱為平均自由程（d）。式中：V－房間容積；

S－房間內(nèi)表面面積。當聲速為c時，聲波傳播一個自由程所需時間τ為：故單位時間平均反射次數(shù)n為：2、平均吸聲系數(shù)當聲波在室內(nèi)碰到壁面（包括天花板與地板）時，如果壁面并非剛性，它對聲波具有一定的吸聲能力，那么一部分入射聲波就要被壁面吸收，被壁面所吸收的能量與入射能量的比值稱為壁面的吸聲系數(shù)αi。設(shè)對應于某吸聲表面積Si的吸聲系數(shù)為αi

，如果對室內(nèi)所有的吸聲表面的吸聲系數(shù)進行平均，則可得到室內(nèi)平均吸聲系數(shù)為3.吸聲量吸聲系數(shù)反映房間壁面單位面積的吸聲能力，材料實際吸收聲能的多少，除了與材料的吸聲系數(shù)有關(guān)外，還與材料表面積大小有關(guān)。吸聲材料的實際吸聲量按下式計算：

A=αS

單位是m2。房間中的其他物體如家具、人等，也會吸收聲能，而這些物體并不是房間壁面的一部分。因此，房間總的吸聲量A可以表示為：右式第一項為所有壁面吸收量的總和，第二項是室內(nèi)各個物體吸收量的總和。4.直達聲場設(shè)點聲源的聲功率是W，在距點聲源r處，直達聲的聲強為：

Id=QW4πr2式中：Q---指向性因子。距點聲源r處直達聲的聲壓pd及聲能密度Dd為：

pd2=ρcId=Dd==相應的聲壓級L=LW+10lg()4πr2ρcQWpd2ρc24πr2cQWpdQ4πr25.混響聲場設(shè)混響聲場是理想的擴散聲場。自聲源未經(jīng)反射直接傳到接收點的聲音均為直達聲。經(jīng)第一次反射面吸收后，剩下的聲能便是混響聲。故單位時間聲源向室內(nèi)貢獻的混響聲為W(1-α)，這些混響聲在以后的多次反射中還要被吸收。設(shè)混響聲能密度為Dr，則總混響聲能為DrV，每反射一次，吸收DrVα，每秒反射cS/4V次，則單位時間吸收的混響聲能為DrVαcS/4V。當單位時間聲源貢獻的混響聲能與被吸收的混響聲能相等時，達到穩(wěn)態(tài)，即：因此，達到穩(wěn)態(tài)時，室內(nèi)的混響聲能密度為：

Dr=4W（1-α）cSα設(shè)式中：R---房間常量，則：由此得到，混響聲場中的聲壓pr2為：相應的聲壓級6.總聲場把直達聲場和混響聲場疊加，就得到總聲場?？偮晥龅穆暷苊芏菵為：

總聲場的聲壓平方值p2為：

總聲場的聲壓級在Q=1的情況下，即聲源遠離壁面位于房間的中央時，我們以R=100米2的曲線為例，從圖上可以看出，當離聲源中心的距離r在1米以內(nèi)時，聲壓級與房間是否存在沒有多大區(qū)別。也就是說，聲源放置在房間內(nèi)測出的聲壓級與放置在露天廣場上時測出的聲壓級相差不到3分貝。

但是當離聲源中心的距離r在6米以外時，聲壓級就基本上與距離無關(guān)了，這時聲壓級主要就由房間常數(shù)R決定。由此可知，離聲源近時，直達聲場占主要地位。當離聲源中心的距離逐漸增大時，房間的影響逐漸增強。當距離增加到一定程度時，房間內(nèi)的混響聲場轉(zhuǎn)為占主要地位。圖中的R＝∞直線即為自由場中直達聲隨距離的衰減。以R＝1000m2的曲線為例，從圖中可以看出，假定無指向性聲源放在兩壁面邊線的中心，即Q＝4，當離聲源中心的距離在4米以內(nèi)時，聲壓級與聲源放置在室外露天相差不到1分貝，即以直達聲為主。當離聲源中心的距離足夠遠時，如r＝10米，聲壓級基本上與距離無關(guān)，這時主要由房間常數(shù)R確定，即混響聲占主要成分。對于同一位置，隨著R的增大聲壓級將逐漸降低。7.混響半徑由式（7－34）可知，在聲源的聲功率級為定值時，房間內(nèi)的聲壓級由受聲點到聲源距離r和房間常數(shù)R決定。當受聲點離聲源很近時，Q/4πr2遠大于4/R，室內(nèi)聲場以直達聲為主，混響聲可以忽略；當受聲點離聲源很遠時，Q/4πr2遠小于4/R，室內(nèi)聲場以混響聲為主，直達聲可以忽略，這時聲壓級Lp與距離無關(guān)；當Q/4πr2=4/R時，直達聲與混響聲的聲能相等，這時候的距離r稱為臨界半徑，記作rc：

rc=0.14√QR

當Q=1時的臨界半徑又稱為混響半徑。8.室內(nèi)聲衰減和混響時間（1）室內(nèi)聲能的增長和衰減過程當聲源在房間內(nèi)輻射出聲波時，聲波在空間傳播，當遇到界面時，部分聲能被吸收，而剩余的部分被反射。在聲波連續(xù)傳播時，聲波會第二次、第三次以至于更多次地被吸收和反射，這樣在房間內(nèi)就形成了一定的聲能密度。一個聲功率恒定的聲源在房間內(nèi)開始發(fā)聲，不斷輻射出聲能后，由于聲波被限制在房間內(nèi)傳播，因此房間內(nèi)的聲能逐漸累積起來，各處的聲能密度隨時間逐漸增大。但是當聲波在房間中傳播時，由于壁面和空氣的吸收作用，聲能不斷地被吸收。很明顯，聲能密度愈大，沿一定方向傳播的聲強愈強，被吸收掉的聲能也就愈多。由于單位時間內(nèi)從聲源發(fā)出的聲能是恒定的，當聲能密度隨時間增大時，被吸收掉的聲能就逐漸增多，可供累計的聲能也就逐漸減少，聲能密度隨時間的增加相應地愈來愈慢。最后，當聲源發(fā)出的聲能等于被吸收掉的聲能時，聲能密度就達到了穩(wěn)定的狀態(tài)。如圖左側(cè)曲線。從理論上講，達到穩(wěn)定的狀態(tài)要經(jīng)過“無窮長的”時間，實際上從圖看出，只要經(jīng)過1~2秒鐘就與穩(wěn)定狀態(tài)很接近了．與此相類似，當室內(nèi)聲場已達到穩(wěn)態(tài)時，突然關(guān)閉聲源，房間內(nèi)的聲音并不立即停止，需要延續(xù)一段時間，聲能逐漸衰減直到實際聽不見時為止。這種聲音的延續(xù)現(xiàn)象叫做混響。如圖右側(cè)曲線。很明顯，壁面和空氣的吸收作用愈差，聲強愈不容易衰減，混響的現(xiàn)象也就愈顯著。房間內(nèi)聲音的增長過程、穩(wěn)定狀態(tài)和衰減過程可以用圖形象地表示出來。圖中實線表示房間內(nèi)表面反射很強的情況。在這種情況下，在聲源發(fā)聲后，很快就達到較高的聲能密度并進入穩(wěn)定狀態(tài)。這種聲能密度增長過程的長短與室內(nèi)吸聲的情況有著密切的關(guān)系，吸聲作用愈強，這種增長過程就愈快。當聲源停止發(fā)聲，聲音將比較慢地衰減下去。實線表示房間內(nèi)反射很強時，聲能密度衰減的過程；虛線則表示房間內(nèi)表面的吸聲量增加到不同程度的情況，不難看出，房間內(nèi)吸聲作用愈強，聲能的衰減過程(混響過程)也愈短。（2）混響時間在混響過程中，把聲能密度衰減到原來的百萬分之一，即衰減60dB所需的時間，定義為混響時間。a只考慮壁面吸聲時通過大量實驗，首先得出混響時間T60的計算公式（即Sabine公式）：Sabine公式的意義極其重要的，但在使用過程中，當總吸聲量超過一定范圍時，其結(jié)果將與實際有較大的出入。研究表明，只有當室內(nèi)平均吸聲系數(shù)小于0.2時，計算結(jié)果才與實際情況比較接近。α<0.2,f<2kHz在1929-1930年間，有幾位聲學專家用統(tǒng)計聲學的方法，分別獨立地導出了混響時間的理論公式，其中最具代表性的是公式：假定室內(nèi)為擴散聲場，室內(nèi)各表面的平均吸聲系數(shù)為。設(shè)在時刻t＝0時，聲源突然停止，這時室內(nèi)的平均聲能密度為D0，聲波每反射一次，就有部分能量被吸收。在經(jīng)過第一次反射后，室內(nèi)的平均聲能密度為，經(jīng)過n次反射后的能量即為。據(jù)式（7－26）每秒鐘的反射次數(shù)為cS/4V，因此，經(jīng)過時間t后室內(nèi)平均聲能密度為：據(jù)擴散聲場的性質(zhì)，平均聲能密度與有效聲壓的平方成正比，所以有：根據(jù)混響時間的定義，即聲壓級降低60dB所需要的時間，從上式可求得：若取c＝344m/s，則上式為：α>0.2,f<2kHz這就是Eyring公式。但該式只考慮了房間壁面的吸收作用，而實際上，當房間較大時，在傳播過程中，空氣也將對聲波有吸收作用，對于頻率較高的聲音（一般為2kHz以上），空氣的吸收相當大。這種吸收與頻率、濕度、溫度有關(guān)。b考慮空氣和壁面吸聲時聲波在傳播過程中，考慮到空氣吸收，聲強的衰減具有如下形式：式中m為衰減系數(shù)，如果t秒內(nèi)傳播了x米距離，即x＝ct，則：所以混響時間為：當時，α>0.2,f>2kHzα<0.2,f>2kHz（3）衰減系數(shù)m衰減系數(shù)m與濕度和聲波的頻率有關(guān)，隨著頻率的升高而增大。低于2kHz的聲音，m可以忽略。a聲波能量的衰減聲波在均勻介質(zhì)中傳播，其振幅和聲強等將隨著離開聲源的距離增大而衰減，其衰減的原因，一是由于聲波的擴張；二是出于聲能被吸收。前者指的是除平面波外的其它聲波自聲源向四周輻射時，由于波陣面的面積隨著傳播距離的增加而擴大，使得單位面積上通過的聲能減少。后者指的是由于真實氣體(如空氣)的粘滯性、熱傳導和分子馳豫現(xiàn)象等原因，使聲能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，從而使聲強不斷衰減。現(xiàn)以平面波為例，討論聲能被吸收的規(guī)律。設(shè)x處的聲強為I，經(jīng)過△x距離后聲強衰減為(I＋△I)，△I為聲強的增量，因系衰減，故△I為負值。不難理解聲強的增量△I與聲強I的大小以及聲波傳播距離△x成正比關(guān)系。即△I∝－I△x或?qū)懗伞鱅＝－2αI△x式中之所以將比例系數(shù)取為2α，是為了便于計算聲壓衰減系數(shù)。當△x→0時，有如下表達式：式中I0為x＝0的聲強。則故在x處的聲強為

I＝I0e－2αx（1）上式又可寫成則可求出x處的聲壓為

p＝p0e－mx式中α稱為聲壓衰減系數(shù)，2α(＝m)稱為聲強衰減系數(shù)。b大氣中的聲吸收由（1）式可知，聲強在空氣中衰減的聲強級數(shù)A為因此聲強衰減系數(shù)m為若取x＝100米，則有

m=A/434.3

m－－反映空氣本身吸收聲能的衰減系數(shù)。A－－聲波在空氣中每傳播100米聲壓級衰減的分貝數(shù)。【例1】已知房間的尺寸為45m（長）×60m（寬）×12m（高），對500Hz聲音，平頂?shù)奈曄禂?shù)為α1＝0.3，地面α2＝0.2，墻面α3＝0.4，在房間中央有一聲功率為1W的點聲源發(fā)聲，求：（1）房間平均自由程；（2）房間內(nèi)對500Hz聲音的平均吸聲系數(shù)α；（3）房間常數(shù)R；（4）房間混響時間T60（不計空氣吸收）；（5）離點源6m處直達聲能密度和混響聲能密度；（6）混響半徑rc；（7）離點源6m處的噪聲級。解：（1）平均自由程d為：（2）平均吸聲系數(shù)為：（3）房間常數(shù)為：（4）房間混響時間（不考慮空氣吸收）為：（5）離點源6m處混響聲能密度和直達聲能密度：（6）混響半徑：（7）離點源6m處的噪聲級：【例2】某混響室的容積為94.5m3，各壁面均為混凝土，總面積為127.5m3，試計算250Hz和4000Hz的混響時間。設(shè)空氣溫度為20℃，相對濕度為50％。解：（1）f＝250Hz時，查表7－3得壁面吸聲系數(shù)αs＝0.01，空氣吸收可以忽略不計，則（2）f＝4000Hz時，查表7－3得壁面吸聲系數(shù)αs＝0.02，查P99頁表5-2得A＝2.653（dB），則m＝A/434.3=2.653/434.3=0.00611,于是混響時間為：二、混響室法混響室法是將聲源放置混響室內(nèi)進行測量的方法?；祉懯沂且婚g體積較大（一般大于200m3），墻的隔聲和地面隔振都很好的特殊實驗室，它的壁面堅實光滑，在測量的聲音頻率范圍內(nèi)，壁面的反射系數(shù)大于0.98.室內(nèi)離聲源r點的聲壓級為：在混響室內(nèi)只要離開聲源一定的距離，即在混響場內(nèi)，表征混響聲的4/R將遠大于表征直達聲的Q/4πr2。于是近似有：考慮到混響場內(nèi)的實際聲壓級不是完全相等的，因此必須取幾個測點的聲壓級平均值Lp。由此可以得到被測聲源的聲功率級為：三、消聲室法它是將聲源放置在消聲室或半消聲室內(nèi)進行測量的方法。消聲室是另一種特殊實驗室，與混響室正好相反，內(nèi)壁裝有吸聲材料，能吸收98%以上的入射聲能。室內(nèi)聲音主要是直達聲而反射聲極小。消聲室內(nèi)的聲場，稱為自由場。如果消聲室的地面不鋪設(shè)吸聲面，而是堅實的反射面，則稱為半消聲室。測量時設(shè)想有一包圍聲源的包絡(luò)面，將聲源完全封閉其中，并將包絡(luò)面分為n個面元，每個面元的面積為，測定每個面元上的聲壓級，并依據(jù)式（2