6声与振动测量实验指导书.docx
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6声与振动测量实验指导书
声与振动测试实验指导书
西北工业大学航海学院
2012年3月
实验一声信号采集及Spectra软件应用
一、实验目的
1.学会用计算机声卡采集、保存、处理声频信号，并将其存为数据文件；
2.采集给定设备的噪音信号或语音信号，分析其时域特征及频谱结构；
3.学习spectralab（plus）谱分析软件的使用,用该软件对所采集的声信号进行谱分析。
二、实验要求
1.熟悉spectralab的应用环境，能够在各种模式下正确操作运行；
2.能够正确地采集语言、音乐及设备噪声信号，并将其记录成数据文件，同时能用spectra软件对这些文件进行时域及频域分析。
三、实验环境
1.声传感器（microphone）
2.大宇牌手电钻：
250W
3.通用计算机
4.spectralab（plus）谱分析软件
5.有源音箱
四、实验内容、步骤
实验内容：
1.采集并保存手电转钻空转时的噪音信号，观察其时域信号特点（最大值、最小值及均值等）及频谱特征；将其存为.WAV文件格式，用Matlab语言调入后分析频谱结构，绘出频谱简图。
2.采集并保存本人的声音信号（唱或朗读），观察其信号实域及频域特点，绘出频谱简图。
实验步骤：
1.将声传感器（microphone）连接到计算机的mic输入口。
2.启动计算机，打开spectralab（plus）谱分析软件，进行有关设置，如：
采样频率/样本点数/平均次数/抽取比例/显示设置等。
3.模式（Mode）设置
（1）.将Mode设置为实时（Realtime）方式,打开Run运行开关，此时输入的信号为背景噪声，通过时域及频域观察窗可观察到相应的时域及频域波形，通过调节有关按钮（如频率扩展、压缩、自动量程等），使图形显示适中。
（2）.由声源分别发出单频、多频及扫频声，调节有关按钮，观察相应的时域及频域波，同时注意观察有信号时和无信号时声级的差别，即背景噪声的大小。
（3）.将Mode设置为记录器方式（Rcorder）,由声源分别发出单频、多频及一段音乐，将其记录为三个.wav文件，按Rec按钮开始记录，同时记时表开始记时，根据记时表，将所记录将文件长度控制在4～10秒。
所记录的文件也可在该方式下播放。
（4）.将Mode设置为后处理方式（Postprocess），分别打开所记录的文件，进行相应的谱分析。
该文件也可用Matlab程序打开，做进一步的编辑处理等。
五、实验报告要求及记录格式
1.根据谱分析结果,画出手电钻空载时的时域及频域图，并分析其频谱特性；
2.画出所采集的语言声及音乐声时频域图，分析其频谱特点。
六、实验注意事项
1．声音信号采集时注意控制背景噪声（说话、桌面及地面振动等）。
2．设备噪声信号采集时应注意安全。
七、讨论思考题
本试验所用的采集系统有什么优缺点？
不同形式的信号听起来有什么区别？
实验二城市区域环境噪声测量
一、实验目的
1．监测环境噪声,掌握城市区域环境噪声的基本测量方法。
2．根据所测区域的噪声分布，对该区域进行噪声评定分析。
二、实验要求
1．在校园内选择具有代表性的区域，通过目测进行网格布点，测点应不小于10点。
2．要求2人一组，相互配合，每个测点记录数据不少于100个。
三、实验环境
1．校园内自选具有代表性的区域
2．HS5633数字声级计
HS5633数字声级计简介：
该仪器符合国际IEC651或GB3785-83Ⅱ型仪器的要求。
能实现一般声级测量并具有最大声级保持功能，其主要技术指标如下：
1）测量范围：
40—130dB
2）频率特性：
A计权
3）检波特性：
真实有效值
4）动态特性：
快和慢
5）传声器：
1/2英寸驻极体电容传声器
四、实验内容、步骤
实验内容：
城市区域环境噪声测量
实验步骤：
1．每两人一组到302专业实验室领取声级计，并进行仪器标定。
用标准声源标定时，显示器应指示94±0.5dB,否则，调节CAL电位器使之达到规定值。
2．选择合适的测量区域如各教学区、体育场、生活区等，将其划分为等距网格，确定测点位置，测点数为15～20。
3．每隔5秒读一瞬时A声级，每次每个测点应连续读取100个数据。
4．按照下式计算各测点的等效连续声级LAeq，T。
其中n为每个测点的数据个数
LPAi为瞬时A声级，
5．按照LAeq，T绘制噪声污染图，一般以5dB为以等级，以不同颜色或阴影线表示各噪声污染等级，如下表所示。
噪声带
颜色
阴影线
35dB以下
浅绿色
小点，低密度
36～40dB
绿色
中点，中密度
41～45dB
深绿色
大点，高密度
46～50dB
黄色
垂直线，低密度
51～55dB
褐色
垂直线，中密度
56～60dB
橙色
垂直线，高密度
61～65dB
朱红色
交叉线，低密度
66～70dB
洋红色
交叉线，中密度
71～75dB
紫红色
交叉线，高密度
76～80dB
蓝色
宽条垂直线
81～85dB
深蓝色
全黑
6．根据城市区域噪声标准GB3096—93（见下表）进行噪声评定
类别
昼间（LAeqdB）
夜间（LAeqdB）
0
50
40
1
55
45
2
60
50
3
65
55
4
70
55
各类标准的适用区域：
①．0类标准适用于疗养院、高级别墅区、高级宾馆等特别需要安静的区域，位于城郊和乡村的这一类区域分别按严于0类标准5dB执行。
②．1类标准适用于以居住、文教机关为主的区域。
乡村居住环境可参照执行该类标准。
③．2类标准适用于居住、商业、工业混杂区。
④．3类标准适用于工业区。
⑤．4类标准适用城市中的道路交通干线两侧区域，穿越城区的内河航道两侧区域。
五、实验报告要求及计录、格式
1．给出各测点的原始记录数据及等效连续声级；
2．绘出所选定的测量区域的噪声分布图，给出该区域的噪声评定结论，并对该区域产生的噪声进行分析。
六、实验注意事项
1．选择测量区域时要充分考虑测量时的安全性，若中心点的位置不便于测量（如房顶、污沟、禁区等），可移到旁边能测量的地方进行测量。
2．测量要求传声器离地面高1.2M，并远离其他反射机构。
3．使用仪器时要安全可靠，不可掉在地上。
数据记录完毕，立即将仪器交还实验室（交还时也需校准验收）。
使用中有问题立即与实验室老师联系。
七、讨论、思考题
1．如果想了解所测区域噪声的时间分布，应采用声么方法？
2．如何提高城市区域环境噪声测量精度？
实验三城市交通噪声测量
一、实验目的
1．城市交通噪声的测量方法。
2．掌握HS5633数字声级计的使用
二、实验要求
1．了解城市交通噪声的基本量值及车流量变化引起交通噪声变化情况。
2．了解道路两侧的交通噪声分布规律。
三、实验环境
1．城市交通干线两侧
2．HS5633数字声级计
HS5633数字声级计简介：
该仪器符合国际IEC651或GB3785-83Ⅱ型仪器的要求。
能实现一般声级测量并具有最大声级保持功能，其主要技术指标如下：
1）测量范围：
40—130dB
2）频率特性：
A计权
3）检波特性：
真实有效值
4）动态特性：
快和慢
5）传声器：
1/2英寸驻极体电容传声器
四、实验内容、步骤
实验内容：
城市交通噪声测量
实验步骤：
1．每两人一组到302专业实验室领取声级计，并进行仪器标定。
用标准声源标定时，显示器应指示94±0.5dB,否则，调节CAL电位器使之达到规定值。
2．测点选择：
测点应选在两路口之间的交通干线路边的人行道上，离车行道20CM处，此处距路口应大于50M，这样该测点的噪声可以代表两路口之间的该段道路的交通噪声。
3．为调查道路两侧区域的交通噪声分布，在垂直道路方向上由近及远设测点测量（每隔1～2M设一个测点，至少应取10个），直到噪声级降到临近道路功能区（混合区）的允许标准值为止。
4．每个测点在规定的时间内（如10Min），隔5秒读一瞬时A声级，连续读取200数据，同时记录下车流量。
5．计算累积百分声级L10、L50、L90及等效效连续声级LAeq，T。
等效连续声级可按照下式计算。
其中n为每个测点的数据个数
LPAi为瞬时A声级，
6．按照LAeq，T或累积百分声级绘制道路两侧的交通噪声分布图，一般以5dB为以等级，以不同颜色或阴影线表示各噪声污染等级，如下表所示。
噪声带
颜色
阴影线
35dB以下
浅绿色
小点，低密度
36～40dB
绿色
中点，中密度
41～45dB
深绿色
大点，高密度
46～50dB
黄色
垂直线，低密度
51～55dB
褐色
垂直线，中密度
56～60dB
橙色
垂直线，高密度
61～65dB
朱红色
交叉线，低密度
66～70dB
洋红色
交叉线，中密度
71～75dB
紫红色
交叉线，高密度
76～80dB
蓝色
宽条垂直线
81～85dB
深蓝色
全黑
7．根据城市区域噪声标准GB3096—93（见下表）进行噪声评定
类别
昼间（LAeqdB）
夜间（LAeqdB）
0
50
40
1
55
45
2
60
50
3
65
55
4
70
55
各类标准的适用区域
①．0类标准适用于疗养院、高级别墅区、高级宾馆等特别需要安静的区域，位于城郊和乡村的这一类区域分别按严于0类标准5dB执行。
②．1类标准适用于以居住、文教机关为主的区域。
乡村居住环境可参照执行该类标准。
③．2类标准适用于居住、商业、工业混杂区。
④．3类标准适用于工业区。
⑤．4类标准适用城市中的道路交通干线两侧区域，穿越城区的内河航道两侧区域。
五、实验报告要求及计录、格式
1．要求注明实验时间、地点及环境状况，绘处所测区道路两侧的交通噪声分布图；
2．给出该段道路交通噪声评定结论，并对交通流量变化引起交通噪声变化情况及道路两侧的噪声分布进行分析。
六、实验注意事项
1．测量时要时刻牢记安全第一，不要阻碍人流车辆的通行，测量要求传声器离地面高1.2M，并远离其他反射机构。
2．使用仪器时要安全可靠，不可掉在地上。
数据记录完毕，立即将仪器交还实验室（交还时也需校准验收）。
使用中有问题立即与实验室老师联系。
七、讨论、思考题
1．可否以所测路段的噪声代表改城市的噪声水平？
2．道路两旁的噪声分布符合什么样的规律？
实验四自由场法测量声功率
一、实验目的
掌握消声室和半消声室精密法测声功率的原理和方法
二、实验要求
1．在消声室采用半球面作为测量表面。
2．每个测点至少测量2次。
三、实验环境
1．消声室（或半消声室）
2．噪声源（以320W大宇6060T手电钻为例）
3．HS6288B声级计（2型）
4．1／2吋传声器延长电缆
5．传声器支架
四、实验内容、步骤
实验内容：
测量手电钻空载时的声功率
测量原理：
噪声源的辐射特性通常用指向特性和辐射功率描述。
声功率的单位为瓦，如用声功率级表示，则
（4.1）
式中
为声源辐射功率，
为声功率级（dB）；基准声功率为10－12W。
1．无指向性声源的声功率测量
若声源是放在自由空间中的无指向性声源，则在声源的远处某个位置上，测量其声压级或频带声压级就可以计算出声功率。
自由声场（或球面声场）：
（4.2）
半自由声场（或半球面声场）：
（4.3）
式中r是声源与传声器的距离（m）；
为距离声源r处的声压级（dB）。
实际上测量是在消声室进行的，消声室内各表面的吸声系数要大于0.99。
传声器的位置选择2～5倍于被测声源的尺寸，通常不应小于1米。
传声器位置离墙面的距离不应小于被测信号波长的1／4。
2．指向性声源的声功率测量
对于指向性声源的声功率测量，当声源放在自由场时，必须测量出声源周围固定距离处假想球面上许多点的声压级，球的半径应该使测量点位于远场。
测量点数目不能太少，测得数值之间的最大变化不得超过6dB左右，否则必须在更多的点上进行测量。
确定声源的声功率时，应将假想球面分成与测点数目相同的面积，如果传声器测点占有的测试球（或半球）的面积相等，可用（4.4）求出表面平均声压级：
（4.4）
式中
是表面平均声压级；
是第i个测点的声压级，N是测点数目。
如果传声器测点所属的测量表面的面积不相等时，则用（4.5）求表面平均声压级：
（4.5）
式中
是表面平均声压级,
是第i个测点的声压级，Si是第i个测点所占有的球（或半球）面积。
S是测量球（或半球）的总面积。
这时在自由场中噪声的声功率为：
（4.6）
式中
是测试球面上表面平均声压级,
。
若测量面为半球面，则被测噪声级的声功率为：
（4.7）
式中
。
下面给出以声源为原点测点的直角坐标（x,y,z），z轴选择垂直于水平面向上的方向。
表4.1测点直角坐标分布如下:
测点号
x/r
y/r
z/r
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-0.99
0.50
0.50
–0.45
–0.45
0.89
0.33
–0.66
0.33
0
0
-0.86
0.86
0.77
–0.77
0
0.57
0
-0.57
0
0.15
0.15
0.15
0.45
0.45
0.45
0.75
0.75
0.75
0
通常,机械设备的声功率多数只能放在地面上进行测量,因此常用半自由场计算公式,方法是自确定的半径为r的球面上布置若干个测点，测出各点的声压级，然后由平均声压计算出声功率级。
图4.1所示为半球面上测点分布，当然，也有测点数目更多的布置，但因测量工作量很大而较少采用。
3.测量步骤：
将HS自由场传声器装加在HS6288B声级计的延长电缆上并进行校准，在消声室地面中央处画圆确定测量表面的位置，将电钻置于圆心，将传声器夹在支架上，调整支架延伸杆的长度及角度，按图1确定测点位置依次测量各点声压级，按公式（4.7）计算被测电钻的声功率级。
五、实验报告要求及记录格式
1.画出实测时的测量表面及测点布置图，注明测量半径及被测声源的尺度。
2.给出每个测点的原始记录数据及其均值计算表格，计算出被测声源的声功率及测量不确定度。
六、实验注意事项
1．传声器装夹及移动时要高度注意，绝对不能倒（掉）在地面上。
2．测量时要注意控制背景噪声。
七、讨论思考题
测量半径的大小对测量结果有无影响？
如何提高声功率的测量精度？
实验五混响室法测量声功率
一、实验目的
掌握混响室法测声功率的原理和方法
二、实验要求
1．正确理解混响场的性质、特点及应用；
2．了解Pulse3560C声振测量系统的基本结构及使用方法。
三、实验环境
1．混响室
2．声源（以空载状态的320W大宇6060T手电钻为例）
3．HS6288B声级计（2型）
4．1／2吋传声器延长电缆
5．电容传声器BSW及传声器支架4套
6．B&KPulse声振测量系统3560C
7．M6K通用计算机
8．声级校准器BK4231
四、测量内容、步骤
测量内容：
测量手电钻（320W）空载状态下的声功率。
测量系统如图2所示。
测量原理：
把噪声源放在混响室内，测得室内平均声压级后可以求出噪声源的功率级。
在混响室内，除了非常靠近声源处，离开壁面半波长的其它任何地方的声压级差不多相同。
这时声压和声源总功率的关系为
（5.1）
其声功率级为
（5.2）
式中
为室内总吸收量；
为室内平均声压级。
公式（5.1）没有考虑空气吸收对高频声的影响，如作高频空气吸收修正，则可改写为
（5.3）
为空气的声强吸声系数，测量时应该使用无规入射传声器。
传声器的位置离墙角和墙边至少
，离墙面至少
（
是最低频率声波的波长）；传声器不要太靠近声源，至少相距1米，平均声压级至少要在一个波长的空间内进行。
测量位置约3～8点，与噪声源频谱有关，如噪声源有离散频率，就需要更多的传声器测点。
混响室的总吸收量是通过测量混响时间来计算的，这时噪声源声功率用下式计算
（5.4）
式中V为混响室体积（m3）；T为混响时间（s）；
为相应于测试频带中心频率的声波波长（m）；S为混响室内表面的总面积（m2）；
为平均声压级。
实验步骤：
1.混响时间测量：
混响时间是描述封闭空间混响强弱的参量，它的定义是在扩散场中，当声源停止发声后，从初始声压级降低60dB所需要的时间。
混响时间可采用多种方法测量，本实验中采用声源中断法，即用白噪声激励，在混响室产生高声级（约100dB）的扩散场，然后切断声源测量其衰减曲线，即可计算出混响时间。
此方法在PULSE应用程序里有一个测量模板，可直接给出1/3倍频程的混响时间数据表（柱状图），具体操作如下：
（1）按图5.2搭建测量系统，当采用PULSE3560C采集前端时，采集传声器可用1～4个，实验中使用声望公司的BSWA型自由场传声器（内部带有前置放大器），对应于PULSE3560前端的4路输入通道，并应用相应的4通道混响时间测量软件；传声器用双BNC电缆与前端相连，用传声器支架夹持（用海绵或软棉布将传声器裹进夹在支架夹子上），并在混响室进行合理的空间分布在。
（2）用BK4296全指向性声源作为激励源，使用连接时用专用驱动电缆与功率放大器BK2716对应的输出端相连，功放的输入连至3560前端输出端口1。
（3）检查各设备的连线确认无误后，将功放2716的增益开关放置最低档，关闭混响室房门，打开计算机、功放及3560前端电源，在PULSE应用软件菜单中，启动4通道声源中断法混响时间测量软件，并按屏幕左侧的任务菜单依次进行。
a.在测量管理器中删除不用的信号；
b.在函数管理器中删除不用的信号；
（4）自动量程设置：
测量时的第一步是自动量程设置，这会使PULSE采用最合适的输入电压范围，防止测量过程中的过载。
a.点击左侧任务中的“自动量程设置”；
b.不用在信号发生器窗检查Burst选项；
c.激活测量模板（F2）；
d.将功放增益旋至合适位置（提高1～2挡），打开信号发生器（shift+F8）,注意：
该步骤在屏幕可能没有反应，此时应该听到来自声源的粉红噪声；
e.进行自动量程设置（F3），此时，在PULSE左下位置会有一个蓝色的状态条，该状态条会随着室内声级的稳定而有些变化；
f.一旦自动量程设置完成，关闭信号发生器（F8）；
g.在信号发生器窗重新使能Burst，该方式意味着在预置一定时间后会自动关闭。
（5）进行一次测量：
在自动量程设置后，即可准备采集数据
a.在左侧任务栏点击“采样监视”；
b.开始测量（F5），信号发生器会自动打开，运行大约5秒钟，然后关闭，此时设置好的PULSE自动获取数据；
c.当信息窗显示“多缓冲器1”完成时，即表示混响时间数据采集完成；
d.停止测量（F6）；
e.存储本次测量（F7）；
f.用两个特别的符号重新命名所存的测量结果，第1个数字代表测量位置，第2个数字代表该测量位置的测量号（次数），这样可以进行多个位置测量，每个位置可测量多次；
（6）重复步骤b～f，直到获得所需测量位置及测量次数；例如：
有3个测量位置，每个位置进行2次测量，则可记为1.1（第1个位置，第1次测量）、1.2；2.1、2.2；3.1、3.2。
（7）计算混响时间：
a.点击左侧任务栏“混响时间计算”任务钮；
b.填写测量参数（位置数和每个位置的测次数）；
c.选择计算方式：
自动（推荐）或T20方式，注意后向积分是一种用脉冲法测量混线时间的方法；
e.点击“计算”，PULSE会自动创建（在函数管理器）新函数，并显示出所计算的混响时间结果；在该函数上右击，即可进行copy／past到excel或作为文件输出。
（8）修改混响时间结果：
以上是通过找出斜率自动计算的，然而在某些情况下，比如多于4面墙的房子里，需要用户手动定义衰减曲线，在PULSE混响时间测量方案中，可进行检查和修改混响时间测量结果。
a.点击“修改混响时间”任务钮；
b.在Band设置里点击updata钮，这会出现3个图形，平均混响时间、衰减斜率和混响时间（对应某测量位置）；
c.用两个顶部箭头（drop-down）选择数据进行检验或修改（一个选择信号／测量位置，另一个选择1/3倍频带），这会自动把图形改到合适的衰减斜率及合适的混响时间；
d.有两种方法改变混响时间的值：
①简单的键入新的混响时间值（按enter）,然后在视窗底部点击Aceept钮，则所有混响时间按此值更新；②用新的“界限”重新计算，即在衰减曲线上重新定义一个新的始、终点，这可用主标记（红色）及参考标记（绿色）在衰减曲线上进行定界，红色表示起点，绿色表示终点，移动参考标记时按按住shift键，当标记好以后，点击updata钮（位于Modificationupdata区），然后在视窗底部点击Accept钮，所有的混响时间将被更新以适应新值。
2.测量平均声压级
（1）按图5.1连接系统，被测声源以正常安装方式置于混响室中相对于边界面的一个或多个典型安装位置，如果不另外规定特殊的位置，声源置于地面离任何墙面至少1.5米，如果必须有两个或多个源的位置，则不同位置之间的距离应等于或大于相应于测量的最低中心频率的半波长。
在混响室为矩形地面情况下，声源应置于地面上不对称的位置。
（2）打开BK声学测量软件平台，建立一个声压测量模板，在配置管理器中加入添加各通道传声器，并进行相应的测量设置，点击SET－UP，在声压测量组插入CPB（FFT）分析器，并向分析器添加信号组；单击分析仪，在其Setup界面，设置分析仪属性，选择1/3倍频程分析器，频率范围一般定为50Hz～16KHz，平均方式可选为线性方式，平均时间选为10秒，频谱菜单中选中声压谱。
（3）激活测量模板按钮（或按F2键）之后，打开LevelMeter级值计，来检测输入信号当前的大小，选择合适的量程可提高测量信噪比。
（4）在函数管理器中插入所测信号的声压谱函数，双击该函数，可观察到相应的声压谱图（未测量时无数据）。
（5）传声器校准，可用声压校准器分别对各个传声器进行常规校准。
校准时打开校准器开关，点击校准大师按钮即可进行。
（6）模板设置及校准完成后，即可按图2所示进行测量，打开电钻开关，关闭混响室门，点击测量开始按钮，平均10秒钟后即可记录一组数据，为了获得更好的空间平均，可改变传声器的位置，再进行测量，将各传声器的各次测量的声压级按1/3倍频带进行平均，即可得到所需的平均声压级。
（7）测量混响室的几何尺寸，按公式（5.4）计算各频带声功率级，并按式（5.5）计算声功率总级。
（5.5）
式中N为频带数，
是第i个频带的声功率级。
五、实验报告要求及记录格式
1.按1/3倍频程给出混响室的混响时间；
2.按1/3倍频程给出混响室各测点的声压级平均值；
2.按1/3倍频程画出声功率与频率的关系图，并给出声功率总级值。
六
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