声学测量分析技术方案.docx

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声学测量分析技术方案

声学测试分析技术方案

一、声压

声波传播过程中，空气质点也随之振动，产生压力波动。

一般把没有声波存在时媒质的压力称为静压力，用

表示。

有声波存在时，空气压力就在大气压附近起伏变化，出现压强增量，这个压强增量就是声压，用

表示。

声压的单位就是压强的单位，在SI单位制中，面积S的单位是

，力F的单位是牛（顿），其声压的单位是

，记为

，或称为帕（斯卡），记为Pa，其辅助单位为微巴，记为

（

，

）。

换算关系为：

（1—3）

与大气压相比，声压是相当小的。

在1000赫时的可听声压范围大约在0.0002~200微巴之间。

声压随时间起伏变化，每秒钟内变化的次数很大，传到人耳时，由于耳膜的惯性作用，辨别不出声压的起伏，即不是声压的最大值起作用，而是一个稳定的有效声压起作用。

有效声压是一段时间内瞬时声压的均方根值，这段时间应是周期的整数倍。

有效声压用数学表示为

（1—4）

式中

——周期；

——瞬时声压；

——时间。

对于正弦声波

，

为声压幅值，即最大声压。

在实际使用中，若不另加说明，声压就是有效声压的简称。

二、声压级

一个声音的声压级是这个声音的声压与基准声压之比的以10为底的对数的20倍，即

（1-11）

式中

----声压级，分贝；

-----声压，帕；

----基准声压，取

=20微帕。

有了声压级的概念，就可把由声压值表示的数百万倍变化，改变为0～120分贝的变化范围。

三、声学频谱

声频范围很广，从低频到高频变化高达1000倍，一般不可能，也没有必要对每个频率逐一测量，为方便和实用上的需要，通常把声频的变化范围划分为若干个较小的段落，称为频程，或频段、频带，一般它是两个声或其信号频率间的距离。

频程有上限截止频率值、下限截止频率值、中心频率值和上下限截止频率之差。

上、下限截止频率之差即是中间区域，称为频带宽度，简称带宽。

一般频程以高频与低频的频率比的对数来表示，此对数通常以2为底，其单位称倍频程。

即

或

（1-15）

式中

、

----成倍频程关系的低频和高频频率，即下、上限截止频率；

---------两个频率相比的倍数。

可以是任意正实数，

越小，分的越细，频程越短，测量所需时间就越多，当

=1时，即两个频率相距1倍时，称倍频程，简称倍频程；当

时，称

倍频程，依此类推。

在倍频程中，频程间的中心频率之比都是2：

1，其中心频率是上、下限的几何平均值，即

四、计权声级

声波的性质主要由声强大小、频率高低和波形特点决定。

人们的听觉也是由于对声音强、弱、调子高低和音色产生微妙的差异才能分辨出各种不同的声音。

所以确定物理量数值与主观感觉的关系是必要的。

设置计权网络，通过对人耳敏感的频率加以强调，对人耳不敏感的频率加以衰减，就可以直接读出反映人耳对噪声感觉的数值，使主客观量趋于统一。

常用的计权网络A、B、C三种。

目前还出现

、E和SI几种计权，一般采用A计权网络。

A计权网络是效仿倍频程等响曲线中的40方曲线的反曲线而设计的。

它较好地模仿了人耳对低频（500赫以下）不敏感，对1000~5000赫声敏感的特点。

用A计权测量的声级来代表噪声的大小，称为A声级，记为分贝（A），或dBA。

五、信号处理过程的加窗与平均

常用窗函数

在对信号进行频域处理时，先要对数据加窗选取，以减小谱的泄露。

常用的几种窗函数如下：

（l）矩形窗　　　矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为

（1-28）

相应的窗谱为：

（1-29）

矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗．这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高。

（２）汉宁（Hanning）窗　　　汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为：

（1-30）

相应的窗谱为：

（1-31）

汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者说是3个sine（t）型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了π／T，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。

　（３）海明（Hamming）窗   海明窗也是余弦窗的一种，又称改进的升余弦窗，其时间函数表达式为：

（1-32）

其窗谱为：

（1-33）

　　　海明窗与汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。

海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。

分析表明，海明窗的第一旁瓣衰减为一42dB．海明窗的频谱也是由3个矩形时窗的频谱合成，但其旁瓣衰减速度为20dB／（10oct），这比汉宁窗衰减速度慢。

海明窗与汉宁窗都是很有用的窗函数．

除了以上几种常用窗函数以外，尚有多种窗函数，如平顶窗、帕仁（Parzen）窗、布拉克曼（Blackman）窗、凯塞（kaiser）窗等。

　 窗函数的选择应考虑被分析信号的性质与处理要求．如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比．

平均方式

数字信号处理中，根据研究目的和被分析信号的特点，常使用以下几种平均方式进行处理。

（1）线性平均

线性平均:

YN=（1/N）*ΣXii=1~N（1-34）

全部输入数据的影响都是1/N.

线性平均要把全部输入数据储存后再计算，可改为递推线性平均

递推线性平均:

Y2=Y1,2=（1/2）*（X1+X2）计算后X1,X2可删除

Y3=Y1,2,3=（X1+X2+X3）=（2/3）*Y2+（1/3）X3计算后Y2可删除

……………

Yn=（（n-1）/n）*Yn-1+（1/n）*Xnn=1~N

（2）指数平均

一阶微分方程

Tc（dy（t）/dt）+y（t）=x（t）Tc---时间常数（1-35）

以采样间隔Δt离散成一阶差分方程，

dt→Δt,y（t）→y（n）---yn,x（t）→x（n）---xn,dy→yn-yn-1

Yn=（（N-1）/N）*Yn-1+（1/N）*Xn（1-36）

因Tc>Δt,可令Tc/Δt=N,

Yn=（（N-1）/N）*Yn-1+（1/N）*Xn（1-37）

例:

N=4,Xn=[X1X2X3X4X5……]

Y1=（1/4）*X1

Y2=（3/4）*Y1+（1/4）*X2=（3/4）*（1/4）*X1+（1/4）*X2

Y3=（3/4）*Y2+（1/4）*X3=（3/4）*（3/4）*（1/4）X1+（3/4）*（1/4）*X2+（1/4）*X3

Y4=（3/4）*Y3+（1/4）*X4=（3/4）*（3/4）*（3/4）*（1/4）*X1+（3/4）*（3/4）*（1/4）*X2+（3/4）*（1/4）*X3+（1/4）*X4

可见以往输入数据对现在输出的影响按（（N-1）/N）m逐渐减小（遗忘）。

（3）最大值保持

保持声压最大的一次结果，作为最终的分析结果。

六、测试基本原理及流程

传声器（专用的声学传感器）将瞬时声压信号转换为电压信号，声级计将此电压信号放大（或衰减）、加权（A、B或C，也可不加权）、倍频程滤波（附加）、均方根检波和对数转换，最后给出噪声的声压级、计权声级或倍频程声压级；还可以输出与成比例的电压信号供监测、存储和频谱等分析之用。

声学测量倍频程分析方法流程图

七、试验所需仪器设备：

6、1动态信号测试分析系统

动态信号测试分析系统

网络型动态信号测试分析系统，应用范围非常广泛，一套系统，就可完成应力应变、振动（加速度、速度、位移）、冲击、声学、温度（各种类型热电偶、铂电阻）、压力、流量、力、扭矩、电压、电流等各种物理量的测试和分析

输入阻抗

10MΩ∥40PF

输入保护

当满度值不大于10V时，输入信号大于±15V（直流或交流峰值）时，输入全保护；当满度值为20V时，输入信号大于±30V（直流或交流峰值）时,输入全保护

输入方式

GND、DC（单端、差分）、AC、ICP

工作方式

数据采集器

单端输入、差动输入、ICP适调输入

外接适调器（选件）

ICP适调器（带双积分硬件网络）、应变适调器、电荷适调器、电荷适调器（带双积分硬件网络）、4～20mA适调器、双恒流源应变适调器

满度值

±100mV、±200mV、±500mV、±1V、±2V、±5V、±10V、±20V

最大分析频宽

DC～100kHz

低通滤波器

截止频率（-3dB±1dB）

10、30、100、300、1k、3k、10k、PASS（Hz）八档分档切换

平坦度

小于0.1dB（2/3截止频率内）

阻带衰减

大于－24dB/oct

信号状态指示

过载指示

输入大于满度值，指示灯为红色，表示过载

50mV指示

输入小于满度的0.5%,指示灯为绿色，表示欠载

模数转换器分辨率

24位Σ-ΔA/D转换器；

最大通道数

每台仪器可有16通道或32通道，每台计算机可控制无限多通道

通讯接口

100Mbps以太网接口

连续采样速率（存贮深度由计算机剩余硬盘空间容量决定）

整数采样速率

所有通道（无限多）同时工作时，每通道10、20、50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、100k、200k（Hz）分档切换

整数分析频率

所有通道（无限多）同时工作时，每通道5、10、20、50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、100k（Hz）分档切换；

抗混滤波器

滤波方式

每通道独立的模拟滤波+实时数字滤波组合抗混滤波器；

截止频率

采样速率的1/2.56倍，设置采样速率时同时同步设定

阻带衰减

约120dB/oct

平坦度（分析频率范围内）

小于0.1dB

仪器工作电源

交流电源

220V，50Hz

直流电源

10～18V

使用环境

适用于GB6587.1-86-Ⅱ组条件

外形尺寸

236mm（宽）×133mm（高）×317mm（深）（十六通道）；

482mm（宽）×133mm（高）×317mm（深）（三十二通道）。

6、2声学测量传感器系统

声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。

它在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用。

自由声场定义：

均匀的各向同性的非流动媒质中，边界影响可以不计的声场。

能感受声压并转换成可用输出信号的传感器称为声压传感器。

它有以下的几种实现形式：

电阻变换式、压电式和电容式。

压电式声压传感器利用压电晶体的压电效应制成的，压电晶体的一个极面和膜片相连接，当声压作用在膜片上使其振动时，膜片带动压动晶体产生振动，压电晶体在机械应力的作用下产生随声压大小变化而变化的电压，从而完成声－电的转换。

理想的测量传声器应该满足以下条件：

1）与声波波长相比，传声器的尺寸应当很小，不会对声场产生干扰；

2）在声频范围内具有具有良好的频率响应特性，即平坦的幅频特性和零相移的相频特性；

3）动态范围宽。

传声器应在很宽的动态范围内具有恒定的声压－电压转换灵敏度；

4）性能稳定。

5）高灵敏度和低的电噪声。

6、3声学分析软件系统

声学软件基本处理方法

八、典型案例

线性幅值谱

1/3倍频程

声压测量结果：

得到频域上最大值对应的频率及其声压级值，并显示整个频域的总声压级值等参数。