【重庆大学机械工程测试技术】9噪声测量

机械工程测试原理与技术噪声测量 第9章噪声测量 重庆大学 机械学院测试中心 尹爱军 第9章噪声测量 重庆大学 机械学院测试中心 尹爱军 机械工程测试原理与技术噪声测量 声级与倍频程计权虚拟式噪声分析仪 声的特点 很强的共享性 噪声 不希望听到的声音 噪声测量实质上也就是声测量 在机械工程领域 噪声测量的任务主要是 测定噪声的强烈程度 分析噪声的结构与特性 查找噪声源等 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 1声学基本概念 9 1 1声波和噪声 声音由振动产生 在媒质中传播 振源也称为声源 当声波在空气中传播时 空气质点受迫在原位置沿传播方向来回振动 空气密度因此发生变化 相应处的压强也发生变化 并向邻近的质点传递此变化 形成压力传播过程 即声波 声波属于疏密波 由于空气质点的振动方向与声波的传播方向一致 所以声波有又称为纵波 声波的频率f 周期T 波长和声速c的关系是 声频范围 20 20kHz 机械工程测试原理与技术噪声测量 声波传播的区域称为声场 自由声场 声波传播不受阻碍 不存在反射所在的声场 混声场 声场中各点的声音强度相同 噪声 声波众多形态中的一种 从声波的物理特性来说 是紊乱或统计上随机的空气压强波动 从声波对人的干扰来说 是不需要的声音 是那些听起来令人烦恼和不安的声音 在机械工程范围内 按照噪声起因的不同 可将其分为以下三类 机械性噪声 因弹性体机械振动而产生的噪声 如齿轮 轴承和壳体振动时发出的噪声 气体动力性噪声 因气体振动而产生的噪声 如风机 内燃机 各种排气口等产生的噪声 电磁性噪声 因电磁振动而引起的噪声 如电动机 变压器等产生的噪声 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 1 2噪声的物理度量 声压 声强和声功率 1 声压 有大小无方向 标量 瞬时声压 声波传播过程中 声场中任意一点在当地静态大气压强的基础上所叠加的波动分量 瞬时声压的线性叠加 就噪声测量而言 声场中某点的声压定义为该点的瞬时声压的均方根值 有效值 称为有效声压 简称声压 用p表示 p2又称为均方声压 它们分别写为 式中 某时刻 T 平均时间 机械工程测试原理与技术噪声测量 2 声强 有大小有方向 矢量 稳态噪声 声压随时间的变化小于5分贝非稳态噪声 听阈声压 频率为1000Hz 声压为Pa 0dB 的纯音痛阈声压 120分贝 声强是指在声场中的某一点上 单位时间内通过一个与指定方向垂直的单位面积的平均声能 以I表示 单位为瓦 米2 w m2 在自由场中 相应于听阈声压的声强为10 12 并以此作为声强的基准 而相应于痛阈声压的声强为1 通常是在单位面积的法线方向上测量声强 式中T 积分平均时间 P t 瞬时声压 V t 质点沿指定方向的瞬时速度分量 机械工程测试原理与技术噪声测量 3 声功率 声源的声功率是指其在单位时间内所发出的声能 用符号W表示 单位是瓦 W 声功率的基准是10 12W 声功率和声强的关系 式中Ii 对应面积为处的声强值 各声强方向对应的元面积 一个置于空气中的声源 它的声功率通常是不变的 与周围的环境无关 而声压和声强是声源发出的声音在空气中传播时 在声场内各点产生的效应 压强的波动和能量的流动 与声场特性和观察点有关 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 1 3噪声测量中的级与级的单位分贝 dB 噪声强弱的变化范围是很大 因此 噪声测量中是采用测量值与基准值之比的对数来表示噪声的强弱 即声压级 声强级和声功率级 级是相对量 无量纲 它的单位是分贝 dB 1 声压级 声压级用符号表示Lp 声压p对应的声压级定义为它与基准声压之比的常用对数的20倍 或它们相应均方声压之比的常用对数的10倍 数学表达式为 式中p 声压有效值 P0 基准声压 在空气中取P0 20uPa dB 正常人双耳从听阈到痛阈相应的声压级为0 120dB 机械工程测试原理与技术噪声测量 2 声强级 声强级是声强与基准声强之比的常用对数的10倍 记为LI dB 式中I 声强 I0 基准声强 在空气中取 正常人双耳从听阈到痛阈相应的声强级为0 120dB 在自由场中 任何一点的声压级和声强级的分贝数是相等的 3 声功率级 声功率级是声源声功率与基准声功率之比的常用对数的10倍 记为Lw 机械工程测试原理与技术噪声测量 dB 式中W 声强 W0 基准声强 在空气中取 9 1 4声压级的叠加 扣除和平均 1 级的叠加 当声场中有两个或两个以上的声源 不相干 存在时 任何一点的声压是所有声源共同作用的结果 根据声波的线性叠加性 声场中某一点 观测点 的合成瞬时声压pt t 等于各个声源 不相干 单独作用时该点瞬时声压pi t 之和 机械工程测试原理与技术噪声测量 因为各声源发出的声波是互不相干的 所以有 于是总声压级的均方值为 从而得到总声压级Lpt为 式中Lpi 第个声源单独发声时测得的声压级 机械工程测试原理与技术噪声测量 当且时 总声压级等于较高的声压级加上一个增量 因为 所以 于是得到 机械工程测试原理与技术噪声测量 增值 LdB 级差 分贝增值图 LdB 分贝增值表 机械工程测试原理与技术噪声测量 机械工程测试原理与技术噪声测量 例9 1已知Lp1 90dB Lp2 95dB Lp3 88dB 试分别用计算法和曲线法求总声压级 解 1 计算法 2 曲线法根据分贝增值图 88 90 级差2 92 1 95 级差2 9 96 9dB 2 级的扣除 在现场进行噪声声压级测量时 测量结果不可避免的会受到周围测量环境的影响 因环境有它的本底噪声 背景噪声 所以 测量所得的结果 实际是本底噪声和声源噪声声压级叠加的结果 为了得到声源声压级的实际大小 必须从测量结果中扣除本底噪声的影响 进行分贝扣除运算 扣除运算可由叠加运算演变而来 设测得的总声压计为 即 本底噪声的声压级为 即 于是所求声源的声压级为 机械工程测试原理与技术噪声测量 2 级的平均 当需要通过测量声压级来确定声源的声功率或需要确定声场的平均声压级时 就涉及级的平均问题 平均声压级是声场中各测点的均方声压的平均值对应的声压级 即 机械工程测试原理与技术噪声测量 因为 所以 于是得到 9 2噪声的频谱和频带 9 2 1窄带频谱和声压谱级 具有连续频谱的噪声 以频率为横坐标 以噪声中相应的频率分量的强弱 声压 声压级 声强级或声功率级 为纵坐标而绘制的图形称为噪声频谱图 幅值谱 简称噪声谱 它表明了噪声的频率结构 即噪声中包含哪些频率成分 各频率分量的强弱 哪些频率分量对噪声的贡献是主要的 式中Sp f 表示瞬时声压信号p t 的功率谱密度 单边谱 即 在噪声测量中 常用级为单位来度量噪声功率谱密度的幅值 称为声压谱级 噪声在某一频率处的声压谱级Lps f 是指以该频率为中心频率 带宽为1Hz的频带内所有声能的声压级 只适用于具有连续频谱的噪声 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 2 2频带声压级与倍频程频谱 因为声频范围为20 20KHz 为了噪声测量和分析的方便快捷 以及测试分析仪器设计和制造的可能性 把这一频率范围分为若干连续频段 每一频段称为频带 每一个频带都有自己的上限频率和下限频率 它们遵循以下倍频程关系式 式中 第i个频带的上限频率 第i个频带的下限频率 m 倍频程数 常用的是m 1 1 3 1 12等 任一频带的上限频率和相邻的下一个频带的下限频率相等 这叫做邻接条件 各频带在频率轴上的位置 用该频带的中心频率来表示 它定义为频带上下限频率的几何平均值 机械工程测试原理与技术噪声测量 频带宽度Bi则定义为上 下限频率之间的频率跨度 即 各参数具有如下关系 或 可见 各频带的中心频率也满足倍频程关系 当倍频程数m决定后 比例带宽是常数 按此规律划分的频带称为m倍频程 按此原则设计的带通滤波器组称为m倍频程式滤波器 噪声宽带谱分析常用1倍频程 习惯上也称倍频程 m 1 和1 3倍频程 m 1 3 模式 于是用一组为数不多的倍频程式滤波器就可以覆盖整个声频范围 噪声在相应的频带的所有分量的均方声压值为 机械工程测试原理与技术噪声测量 噪声在某频带内的均方声压对应的声压级称为该频带的频带声压级 以各频带中心频率为离散横坐标 以相应频带的频带声压级为纵坐标作出的图形称为噪声的倍频程频谱 风机噪声1倍频程中心频率Hz 频带声压级dB 机械工程测试原理与技术噪声测量 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 3噪声的主观评价 由于人耳对声音的感受 不仅与声压有关 而且还与声音的频率有关 一般说来 对高频声音感觉比较灵敏 对低频声音感觉比较迟钝 也就是说 声压相等而频率不同的声音 听起来是不一样响的 为了使测量结果能与人的主观感觉一致 需要制定对声音强弱进行主观评价的参量和方法 9 3 1纯音的主观评价 1 纯音等响曲线 纯音即单一频率的声音 它的瞬时声压是正弦波 选取频率为1000Hz的纯音作为基准声音 将其它频率的纯音与之比较试听 2 响度级和响度 等响曲线中的每一条曲线就表示一个响度级 响度级的单位是方 Phon 用LN表示 在数值上等于等响曲线的序号 即1000Hz纯音的声压值的分贝值 机械工程测试原理与技术噪声测量 纯音等响曲线 机械工程测试原理与技术噪声测量 对一个给定的声音 其声压每增加10分贝 响度级增加10方 近似对应于人耳感觉声音的响的程度加倍 用响度N来描述这种人耳感觉与响度级关系 它的单位是宋 Sone 式中P 以方表示的响度级值 S 响度宋的值 9 3 2宽带噪声的主观评价 占据较宽的频带的噪声称为宽带噪声 常用的主观评价参数有A声级 等效连续A声级 噪声评价数NR等 1 声级和A声级 为了模拟人耳的听觉特性 从等响曲线出发 在声测量系统中设置了一种特殊的滤波网络 频率计权网络 噪声信号在通过网络时其频率成分受到加权 使得测量输出能近似表达人耳对声音响度的感觉 这样测量出的声压级称为计权声压级 声级 通常采用A B和C三种计权网络 机械工程测试原理与技术噪声测量 2 连续等效A声级 等效连续A声级就是以一个稳定连续的A声级去表示在一段时间内出现的若干不同A声级的非稳定噪声的方法 在这段时间内此A声级与非稳定噪声具有相等的A计权声能 综合考察了噪声的响度和作用时间 机械工程测试原理与技术噪声测量 A计权网络是模拟人耳对40方纯音的响度 当信号通过时 其低 中频段 1000Hz以下 有较大的衰减 B计权网络是模拟人耳对70方纯音的响度 对信号的低频段有一定的衰减 C计权网络是模拟人耳对100方纯音的响度 在整个频率范围内有近乎平直的响应 幅频特性对应响度曲线的倒置 常用A声级 A B C综合应用用于判断噪声特性 L计权与D计权 或 式中T 测量时间 pa t 经A计权的瞬时声压 p0 参考声压 20uPa LA t 噪声的瞬时A声级 实际测量时 采用如下离散形式 等效连续A声级可以视为某个稳态连续噪声的A声级 它在测量期间具有和非稳态连续噪声相等的A计权声能 瞬时声压信号经A计权网络后的声能 3 噪声评价数NR 噪声评价数NR以1倍频程频谱为基础 同时考虑了噪声在每个频带内的强度和频率两个因素 噪声评价数这一指标主要用于评定噪声对语言的干扰 听力损伤和对周围环境的影响 机械工程测试原理与技术噪声测量 式中 第个1倍频程频带声压级值 以分贝计 a b 与1倍频程中心频率有关的常数 求宽带噪声的NR数时 必须先作出它的1倍频程频谱 然后计算出每个频带声压级对应的NR数 其中最大值就是该噪声的噪声评价数 风机噪声各频带声压级对应的NR数 噪声评价数NR在数值上与A声级具有如下经验关系式 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 4噪声测量原理和常用仪器 声级 声压 测量系统 声强测量系统 以声压测量为基础的噪声测量系统 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 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 4 1测量传声器 测量传声器是一种专门用于声学测量的传感器 它能在很宽的频率范围内不失真地将瞬时声压信号转换为电压信号 由于传声器在声学测量系统中是拾取噪声信号的第一个环节 故其性能的好坏 将对声测量起着十分重要的作用 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 根据声压 电压转换原理的不同 传声器分为磁电式 动圈式 压电式和电容式三种 机械工程测试原理与技术噪声测量 1 电容式传声器的结构和工作原理 电容式传声器的工作原理实质上就是极距变化型电容传感器的工作原理 组成电容器的两个极板之一是一片很轻的弹性金属膜 它在瞬时声压的作用下振动 从而改变了电容器的电容量 并被专门设计的电子线路检测转换为电压 2 传声器的灵敏度 传声器的输出端电压与作用在振膜上的声压之比就是传声器的灵敏度 单位是伏特 帕 V Pa 当灵敏度用dB表示时 则以1V Pa为基准作为0dB 灵敏度设计目标 50mV Pa 26dB 灵敏度修正值K0 dB 实际传声器灵敏度与灵敏度设计目标的差 声压灵敏度 传声器输出电压和作用在振膜上的声压之比声场灵敏度 传声器输出电压和传声器置入前声场该点的声压之比 声学测量传声器分为声场型和声压型两类 声场型产品型号的尾数为奇数 如CH13等 而声压型产品型号的尾数则为偶数 如CH14等 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 4 2声级计 声级计是噪声测量最基本和最常用的便携式仪器 主要用于测量声压级 声级和倍频程声压级 1 声级计的工作原理 按其功能和使用范围 声级计可分为普通声级计 精密声级计 脉冲 精密 声级计和积分 精密 声级计几类 其工作原理是基本相同 机械工程测试原理与技术噪声测量 采用两套衰减 放大器的目的是为了保证在120dB或更大的动态范围内测量系统有良好的线性和高的信噪比 2 声级计的校准 为确保测量结果的准确度和可靠性 声测量系统应当定期校准 校准可以分别对传声器和声级计本体 测量放大器 进行 也可对整个声级计系统进行 实际噪声测量中 常采用系统校准的方法 就是对传声器和测量放大器的组合灵敏度作综合校准 由于是整个系统的校准 无需考虑传声器灵敏度修正值K0 常用活塞发声器校准法 精确 可靠而又简单 活塞发声器通过凸轮驱动一对独立而又对称的活塞运动 在耦合腔内产生一个高稳定度的无畸变的正弦声压 声压作用在传声器上 调节声级计或测量放大器的灵敏度电位器 使输出指示为给定分贝值 整个声测量系统就校准好了 校准时 应修正大气压力的影响 及将计权网络置于线性位置 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 5工业噪声的测量 9 5 1一般现场测量 现场噪声测量主要是A声级测量和倍频程频谱分析 必要时可将信号记录下来 随后再做全面分析 对某台设备的噪声测量是沿一条包围设备的测量回线进行的 传声器的高度应以机器的半高度为准 或选取机器的水平主轴的高度 但距地面均不得小于0 5米 或选取1 5米 人耳平均高度 一般情况下沿测量回线选取若干点进行测量 一般不小于4点 测量时 传声器 一般为声场型 应正对机器的外表面 使声波正入射 其投影应落在测量回线的测点上 测点应远离其它设备或墙体等反射面 距离一般不小于2米 在各测点测量噪声的A声级 有时也辅以声压级 当相邻两点所测得的噪声级差大于5dB时 则应在其间增加测点 以所测得的最高A声级dB A 为该机器噪声大小的评价值 现场噪声测量时应当扣除本底噪声对测量结果的影响 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 5 2声强测量 和声压测量相比 声强测量的最大优点是测量结果几乎不受环境噪声的影响 此外 由于声强是矢量 它在噪声源定位方面的优越性也是声压测量不可比的 1 声强测量原理 平均声强 pA pB分别为相距的两点的瞬时声压 为pA pB互谱的虚部 因为 所以 对瞬时声压pA pB分别作有限傅里叶变换 并得到其互谱 有 机械工程测试原理与技术噪声测量 2 声强测量仪器 1 声强探头 声强探头示意图 增大 测量频率上限降低 下限向低端扩展 整个测量频率范围向低端移动 减小 测量频率上限向高端扩展 下限升高 整个测量频率范围向高端移动 两通道之间的相位失配量越小 测量频率范围的下限也越低 在一定时 上限频率一定 减小的相位失配量可得到较宽的测量频率范围 机械工程测试原理与技术噪声测量 2 声强计 3 数字式声强分析系统 工作原理是用FFT算法计算两通道声压信号的互谱再进行频域幅值积分 除以角频率 从而得出窄带声强谱 也可以得出倍频程声强谱和总声强值 机械工程测试原理与技术噪声测量 3 声强测量的应用 声源声功率测定 声源定位和排列 机械表面声辐射效率 结构的振强 噪声辐射结构内的功率流 和声场空间变换等 1 声功率测定 由于声强是声场中单位面积流过的声功率 因此声强在包围声源的封闭面上积分求和就可求出声源的声功率 2 声源定位和声强图 让声强探头沿一条水平测量线平行移动 探头的两传声器的轴线平行于测量线 测量线的高度与估计的噪声源的高度大致相同或参考前述现场声级测量的高度 在某一点上声强的方向会突然改变 这里噪声入射线必然与探头的轴线垂直 便可知道噪声源位于通过声强探头定距柱中心的垂直平面上 然后沿着和上述测量线成90度的另一测量线重复这一扫描过程 这样就能找出位于二平面相交线上的噪声源 机械工程测试原理与技术噪声测量 机械工程测试原理与技术噪声测量 9 6虚拟式噪声分析仪 9 6 1基于快速傅立叶变换 FFT 的噪声分析原理 尽管噪声信号具有随机性 而随机信号在理论上不满足傅立叶变换的条件 但通过噪声测量系统得到的每一个有限长样本p t 都是能量有限的确定性信号 满足傅立叶变换条件 可以进行傅立叶变换 假设有一个有限长噪声声压信号样本p t 其样本长度为T 则其有限傅立叶变换可写为 当信号p t 经过A D采样后 形成离散数据序列p nts ts为采样间隔 样本数据点数为N 则归一化的离散形式为 机械工程测试原理与技术噪声测量 根据离散傅立叶变换可知 p n 经离散傅立叶变换后得到的离散p k 是一个长度为N的复数序列 其第k个数据可写成如下形式 在满足采样定理的条件下 它可以表示p t 中频率为k T的简谐分量pk t 式中 为pk t 的幅值 为pk t 的相位角 因此 p t 可以写成简谐函数形式 对于一个特定地点的噪声p t 在很弱的条件下 可以分解成若干个不同频率的纯音源pk t 之和 机械工程测试原