2009-2010拟开设声学实验.doc

实验1 测试系统特性及仿真【实验目的】1. 熟练掌握一阶、二阶测试系统的动态特性；2. 正确理解动态特性参数对系统的影响；3. 掌握用Matlab语言对系统进行时域及频域分析的方法；【实验仪器】硬件：普通计算机，软件：Matlab7.0【实验原理】 一、传递函数模型一般的声学系统多数情况下可以认为是线性时不变系统(LTI)，数学模型通常用常系数线性微分方程来描述，即 对上式两边取傅立叶变换，令,可得 系统的传递函数为:系数数组，称为传递函数的二对组。在matalb中我们可以通过调用tf函数来来创建LTI模型。本实验主要使用传递函数模型来分析两种单输入单输出的测试系统特性。一种是一阶测试系统，传递函数为： ，另一种是二阶测试系统，传递函数为：二、实验用Matlab命令 SYS=tf(NUM,DEN) 利用传递函数二对组创建LTI模型； NUM, DENtfdata(S-LTI) 从LTI对象获得传递函数二对组； Y,Tstep(S-LTI) 计算或绘制LTI对象S-LTI的阶跃响应； Y,Timpulse(S-LTI) 计算或绘制LTI对象S-LTI的冲击响应； Y,Tlsim(S-LTI,U,T) 计算或绘制LTI对象S-LTI的任意输入响应； bode(S-LTI) 绘制LTI对象S-Lti的Bode图；【实验步骤】1.打开Matlab，熟悉信号处理的相关指令；2.假定一阶测试系统的输入为：编写m文件一连画出输入及稳态响应的时域曲线，分析幅值及相位的变化情况；3.在matlab中编写m文件，画出一阶测试系统的Bode图(对数频率特性)、冲击响应曲线及阶跃响应曲线；4.时，编写m文件画出二阶测试系统的Bode图，阻尼比分别为0.1、0.7、2.0。5给出阻尼比时的冲击响应曲线及阶跃响应曲线，通过曲线测定二阶测试系统动态特性指标值、，和理论值进行比较；【注意事项】1MATLAB命令输入必须在英文输入状态下进行。2系统的输入输出曲线及不同阻尼比的Bode图应画在同一坐标中以便进行比较思考题一阶、二阶测试系统的动态特性参数是什么？通过什么方法可获得这些参数？ 实验2 噪声声级测量随着社会经济科技的发展，环境问题已被国际社会公认为是影响21世纪可持续发展的关键性问题，而噪声污染更是21世纪首要攻克的环境问题之一。人们在享受现代物质文明的同时，也会受到相应的噪声与振动带来的危害。为了了解噪声污染的规律，找到防治噪声污染的有途径，对其进行正确的测试是必不可少的环节。【实验目的】1.测量噪声源的声压级及声级；2.了解噪声的基本度量级评价参量；3.掌握声级计的基本结构原理及其使用方法。【实验仪器】声级计(型号待定)、声级校准器(型号待定)、噪声源(任选一种)【实验原理】噪声有两种意义：在物理上指不规则的、间歇的或随机的声振动；在心理上指任何难听的、不谐和的声或干扰。为了对噪声进行控制和治理，必须对其声学特征、频谱进行分析。噪声可用它的强度、频率特性及时间特性来描述。1.1 噪声的客观物理度量作为噪声强度的客观物理度量，可以用声压级(声强级和声功率级)来表示。声压级定义为: (1-1)式中为待测声压的有效值，为参考声压。声强级定义为: (1-2)式中为待测声强，为参考声强。声强级定义为: (1-3)其中为待测声强，为参考声强。由空气中声强级近似地等于声压级的关系可得出：以及 (1-4)以上就是空气中声强级、声压级与声功率级之间的关系。必须注意的是式(1-4)成立的条件必须是自由声场，即除了声源发声外，其他声源的声音和反射声的影响均小到可以忽略不计的程度。1.2 噪声的主观评价噪声对人的影响要由人的主观感觉来衡量。人耳听声，虽说声压越大，声音越响，但声压与人耳感觉的响度并不成比例关系，而是近似成对数关系；同时人耳对于不同频率声音的响度感觉也是不一样的，因此，根据人耳的听觉特性，引入响度与响度级、计权声级和等效连续声级等主观评价量。(1) 响度与响度级为了确定某一声音的轻与响的程度，最简单的方法就是把它和另一个标准的声音相比较(ISO规定为1kHz纯音)，调节1kHz纯音的声压级，使它和所研究的声音听起来有同样的响，这时1kHz纯音的声压级就被定义为该声音的响度级，响度级的单位称为方。例如1kHz纯音的声压级为60dB时与某一声源发出的声音听起来同样的响，那么不管声源声音的声压级是多少，它的响度级被认为是60方。按照以上规定，显然对1kHz的纯音，其以分贝计的声强级与以方计的响度级数值上是相等的。对各个频率的声音都作这样的试听比较，把听起来同样响的各对应声压级按频率连成一条条曲线，这些曲线就称为等响曲线，如图1-1 所示。同一条曲线上的每个频率的声音在感觉上都一样响，它们的响度级就是这条曲线上1kHz处的声压级值。图1-1 等响曲线声音“响”的程度，叫响度，记为N ，单位是宋。它与正常听力对声音的主观感受量成正比。规定响度级为40方时响度为1宋，由实验得出响度级增加10方时响度增加一倍，如响度级LN 由40 方增加到50 方时，响度N 加倍，由1宋变为2宋，当LN 由50方变到60 时，响度再加倍由2宋变为4宋。由此可得响度级LN与响度N 的关系为： (1-5) (1-6)(2) 计权声级为了使用声音的客观物理量来表达人耳听觉的主观感受，可以在声学测量仪器中加入模拟人听觉特性的计权网络，使所接收的声音在人耳敏感的频域加以增强，不敏感的频域加以衰减。这样可以从仪器上直接读出反映人耳对噪声感觉的数值，使主、客观评价量趋于一致。这种通过计权网络读出的声级叫做计权声级。图1-2为A、B、C、D等计权网络的响应曲线。图1-2 计权网络频率响应曲线A计权网络是模仿40方等响曲线设计的（倒置）。当声波通过A计权网络时，低频声(特别是500Hz以下)衰减较大，而对10005000Hz的声音不衰减，甚至稍有放大；B计权是仿效70方等响曲线，反映人耳对中强度噪声的响应，低频有衰减；C计权是100方等响曲线的倒置，反映高强度声音下的主观感觉，有近似平直的响应；D计权网络是为测量飞机噪声而设计的。实践证明，无论噪声高或低，A都能较好的反应人耳对噪声响度和吵闹的感觉，因此，在噪声测量仪器(例如声级计)中普遍采用A计权。所测得的声级就称作A声级，记作dB(A)。(3)等效连续声级A计权声级对于稳定的宽频带噪声是一种较好的评价方法，但对于一个声级起伏不定或不连续的噪声，A 计权声级就显得不合适了。例如交通噪声，噪声级是随时间而变化的，有汽车通过时噪声可能是8590dB(A)，没有车辆时可能是5055dB(A)，这时就很难说这个地方的交通噪声到底是多少分贝。对于这种非稳态噪声的评价最常用的方法就是采用声能按时间平均的方法求得某一段时间内随时间起伏变化的各个A声级的平均能量，并用一个在相同时间内声能与之相等的连续稳定的A声级来表示该段时间内噪声的大小，称这一连续稳定的A声级为该不稳定噪声的等效连续声级，记为 (1-7)式中为在t 时刻测量到的A 计权声级。当测量是等间隔采样测量时，可表示为： (1-8)其中n为测量次数，为第i次测得的A 计权声级。当测量值位非连续离散值时,可表示为: (1-9)其中为第i段时间内测得的A 计权声级，为第i段测量时间。1.3 噪声测量与分析方法噪声现场测量大都采用统计声级计（Sound Level Meter，简称SLM），它是一种按照一定的频率计权和时间计权测量声音声压级和声级的仪器。声级计的种类虽然很多，但基本结构是相同的，一般由传声器、放大器、频率计权网络、检波器、时间计权单元和指示器等部分组成。声级计一般设有线性计权及A计权网络，可以测量噪声总声级和计权声级。功能强的声级计，除具有线性计权及A计权外，还具有B、C计权及频率分析功能，可在现场进行频率分析；有的声级计还有“外接滤波器”插孔，可与其他滤波器连接，实现感兴趣的频带测量； “放大器输出”插孔，可输出交流倍号，用来与其他仪器配合使用，例如与声级记录仪连用，进行测量的自动记录，也可与示波器连用，观察被测信号的波形等。 用声级计测量噪声时，要合理选择测点，正确读数和记录以及考虑测量时环境条件的影响。 (1) 测点的选择： 要根据噪声测量的对象选择不同的测点。如为了评价或检验机器设备噪声，测点应分布在机器近旁。对于已颁布的一些机器噪声测量标准，可按规范要求进行布点。一般机器设备可按下述情况选点：对于尺寸不大于30cm的小型机器，测点距机器表面30cm，周围布置4个测点；尺寸大于30cm，但小于50cm的中型机器，测点距机器表面50cm，周围布置4个测点；尺寸为0.51m的大型机器，测点距表面为1m，周围布置6个或8个测点。测试结果以最大值(或算术平均值)表示，并在最大值测点进行频谱分析。对于特大型或危险性设备，可取较远的测点。测点高度以机器半高度为宜，但距地面不得小于0.5m。(2)时间计权的选择： 声级计一般都具有“快”、“慢”计权。在测量噪声时一殷都使用“快”档。因为“快”档读数近似人耳听觉的生理特性。只有在“快”档声级起伏超过3dB时才用“慢”档。对于离散的冲击声，用脉冲声级计读取脉冲或脉种保持值；对于间歇噪声，用“快”档读取每次出现的最大值，以数次测量的平均值表示；对于无规则变动噪声，可用“慢”档每隅5s读取一次瞬时值，计算连续其等效连续声级。 (3)测量环境条件的影响：测量噪声时，常受到环境和气象因素的影响。测量时要注意传声器附近不能有反射物存在，传声器距反射物一殷应不小于2m。测量时若有风吹向传声器时，则将产生湍流，使传声器膜片上压力涨落而产生噪声，因此测量时应在传声器上安装防风罩。本底噪声的影响：如果被测噪声的A声级及各倍频带声压级均高出本底噪声10dB，则本底噪声不影响测量。如果被测噪声与本底噪声的差值小于10dB，则应按表1.3进行修正。为了保证测量精度，应尽量设法降低本底噪声。表1.3 倍频程A计权修正值总声压级与本底声压级之差dB109876543由总声压级扣除的修正量dB0.60.71.01.31.31.72.23实验内容及步骤1.用声级计测量环境噪声的A、C声级、2.测量某一噪声源