ISO 5114-12024 声学声发射测量不确定度的测定第1部分声压测量确定的声功率级标准立项发展报告

声学声发射测量不确定度的测定第1部分：声压测量确定的声功率级标准立项发展报告英文标题：StandardizationDevelopmentReport:Acoustics—Determinationofuncertaintiesassociatedwithsoundemissionmeasures—Part1:Soundpowerlevelsdeterminedfromsoundpressuremeasurements摘要：本报告围绕国际标准化组织（ISO）于2024年6月发布的最新标准ISO5114-1:2024《声学声发射测量不确定度的测定第1部分：声压测量确定的声功率级》展开深入分析与阐述。随着全球对噪声污染控制要求的日益严格，声功率级作为评价声源噪声辐射的关键参数，其测量结果的准确性和可靠性成为行业关注焦点。然而，传统声功率级测量标准（如ISO3740系列）主要关注测量程序，对测量结果不确定度的系统评估与表达缺乏统一规范。ISO5114-1:2024标准的发布，填补了这一技术空白。本报告首先介绍了标准的立项背景，阐述了将其从技术规范（ISO/TS19488:2021）升级为国际标准（IS）的动因及过程。其次，系统梳理了标准的核心技术内容，包括所适用的测量方法、不确定度来源的识别与量化、合成标准不确定度的计算方法以及扩展不确定度的报告格式。再次，重点分析了本标准相对于行业普遍采用的MCM方法所确立的“优先使用GUM法”的指导原则，并详细解读了标准中推荐的不确定度分量简化模型，特别是对辐射角计权、串扰等多种关键不确定度分量的阐述。此外，报告介绍了该标准的主要起草单位——德国国家计量研究院（PTB）在该领域的专业贡献。最后，结合当前声学测量技术的发展趋势，展望了ISO5114系列标准在国家绿色制造、产品能效标识及环境噪声监管中的应用前景与深远影响。关键词：声学；声发射；声功率级；测量不确定度；GUM法；蒙特卡洛法；ISO5114-1:2024；标准化Keywords:Acoustics;SoundEmission;SoundPowerLevel;MeasurementUncertainty;GUMMethod;MonteCarloMethod;ISO5114-1:2024;Standardization正文一、引言随着工业化进程的加速和城市化水平的不断提高，噪声污染已成为仅次于空气污染和水污染的第三大环境公害。精准评估各类机电产品、设备及系统的噪声排放特性，是实施噪声控制、保障居民生活质量和推动绿色制造的关键环节。声功率级作为描述声源自身辐射噪声能力的固有物理量，其测量结果的准确性和可比性直接影响到产品能效标识、噪声限值法规的制定与执行。长期以来，国际声学标准化领域形成了以ISO3740系列（如ISO3744,ISO3745,ISO3746等）为代表的一系列声功率级测定标准。这些标准详细规定了使用声压法在特定测试环境下（如消声室、混响室或工程法测试环境）进行测量的程序与条件。然而，一个完整的测量结果必须包含其测量不确定度，才能表征测量值的分散性和可信度。尽管ISO3740系列标准中提及了不确定度评估，但并未提供一个系统、统一、可操作的计算模型。这导致不同实验室、不同操作者在进行评估时，方法各异，结论分散，严重影响了声功率级测量结果的可比性和互认性。在此背景下，国际标准化组织声学技术委员会（ISO/TC43）启动了相关项目，旨在制定一项专门针对声发射测量不确定度评定的国际标准。经过数年的精心研制，ISO5114-1:2024应运而生。该标准的前身是2021年发布的技术规范ISO/TS19488:2021。根据ISO的规则，技术规范（TS）在经过一定时间的验证和修订后，可以升级为国际标准（IS）。ISO5114-1:2024的发布，标志着声发射测量领域在测量质量保证方面迈出了里程碑式的一步。本标准是ISO5114系列的第一部分，后续可能会涵盖基于声强法、振动法等其他测量原理的声发射量不确定度评定。二、标准核心技术内容解析ISO5114-1:2024的核心目标是建立一个清晰、完整且实用的框架，用于评定和报告由声压法测量得到的声功率级的测量不确定度。其技术路径严格遵循了国际计量学基本指南——JCGM100:2008《测量不确定度表示指南》（GUM）的基本原则。1.适用范围本标准明确适用于在ISO3741（混响室法）、ISO3744（工程法）、ISO3745（精密法）、ISO3746（简易法）以及ISO3747（参考声源比较法）等标准规定的测试环境下，通过声压测量来确定声源声功率级的情况。它对以上标准的实施提供了必要的测量质量保证补充。2.核心推荐：优先使用GUM法(LawofPropagationofUncertainty-LPU)标准中一项极其重要的指导原则是：优先推荐使用GUM法（LPU法）。GUM法基于测量模型的泰勒级数展开，通过计算输入量的灵敏系数和标准不确定度，采用方和根法合成得到输出量的合成标准不确定度，最后乘以包含因子k得到扩展不确定度。该方法具有解析性强、计算简便、易于推广和自动化的优点。尽管基于概率分布传播的蒙特卡洛方法（MCM）在某些复杂的非线性模型中也表现优异，但标准指出，对于绝大多数常规应用场景下的声功率级测量，GUM法已能提供足够精确且可靠的评估结果。标准明确阐述，使用GUM法的前提是其适用条件（如模型线性可近似、输入量概率分布对称等）基本满足。这使得本标准在工程实践中具有极高的可操作性，避免了过度复杂化的计算。3.不确定度来源的系统化模型标准构建了一个系统的、层次化的测量模型，将影响声功率级测量结果的所有可能不确定度来源归纳为几个主要分量。这些分量被分为A类评定（通过统计方法评定）和B类评定（通过非统计方法评定）。标准特别推荐了两种模型：*A类评定：主要针对重复测量引入的随机效应。标准建议，如果对同一批声源进行至少10次独立的重复安装和测量，则可以采用这些测量值的实验标准差来直接评定A类标准不确定度。这种方法最为直接，反映了测试条件的综合随机波动。*B类评定：主要针对系统效应。标准推荐包括但不限于以下分量：*辐射角计权不确定度：当声源不是完美的无指向性声源时，其在不同方向上的辐射能量存在差异。测量时假设为指向性声源会引入不确定度。*串扰不确定度：当存在多个声源同时发声时（例如测试产品及其附属部件），一个声源的信号会对另一个声源的测量造成干扰。*背景噪声修正不确定度：背景噪声测量的准确性和修正方法引入的误差。*测试环境修正不确定度：例如ISO3744中的环境修正K2A，其本身也有评定不确定度。*仪器设备不确定度：测量传声器及声级计的频率响应、校准装置的校准不确定度等。4.主要的合成方法标准详细给出了GUM法的计算流程。从数学模型出发：\[L_W=\overline{L_p}+10\log_{10}\left(\frac{S}{S_0}\right)+C\]其中\(\overline{L_p}\)是测量面上的平均声压级，\(S\)是测量表面积，\(S_0\)是参考表面积（1m²），\(C\)是由环境条件、背景噪声等因素决定的总修正项。然后计算各个输入量的灵敏系数，并进行不确定度传播律合成：\[u_c=\sqrt{\sum_{i}(c_iu_i)^2+2\sum_{i<j}c_ic_ju_iu_jr_{ij}}\]其中\(u_c\)为合成标准不确定度，\(c_i\)为灵敏系数，\(u_i\)为输入量的标准不确定度，\(r_{ij}\)为输入量之间的相关系数。标准建议在一般情况下，可以忽略输入量之间的相关性（即\(r_{ij}=0\)），使得计算极大地简化。5.扩展不确定的度的报告标准要求最终以扩展不确定度\(U\)的形式报告测量结果。通常取包含因子\(k=2\)（对应包含概率约为95%）。报告格式应包含：测得声功率级\(L_W\)、扩展不确定度\(U\)的值、包含因子\(k\)的取值以及评定的简要说明，例如：“Lw=85.0dB，U=1.2dB（k=2）”。三、主要参与单位介绍：德国联邦物理技术研究院（PTB）在本标准的制定过程中，德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-TechnischeBundesanstalt，PTB）作为核心起草单位，发挥了不可替代的关键作用。PTB是德国国家计量院，其历史可追溯至1887年，是全球最负盛名、历史最悠久的计量机构之一。PTB的总部位于不伦瑞克（Braunschweig）和柏林。其声学计量部门在声学测量领域拥有世界一流的实验设施和顶尖的科研团队。在ISO5114-1:2024的起草过程中，PTB的专家（如Dr.MichaelVorländer等国际知名声学计量专家）主导了标准技术框架的构建。他们基于在声功率级测量不确定度模型化方面数十年积累的深厚理论基础和丰富的实证经验，提出了“优先使用GUM法”的核心思想。PTB通过大量的数值模拟和比对实验，验证了GUM法在所研究的测量模型下的有效性与简便性，并系统地梳理并量化了各种不确定度分量，尤其是辐射角计权和串扰等复杂因素的影响。PTB还负责协调各国计量机构（如NIST、NPL等）的意见，确保了标准的全球适用性和权威性。PTB的贡献不仅是技术上的，更是方法论上的，它将计量学的不确定度理论完美地融入到实用的声学工程标准中，堪称“理论指导实践，实践反哺理论”的典范。四、结论与展望ISO5114-1:2024《声学声发射测量不确定度的测定第1部分：声压测量确定的声功率级》的发布，弥补了长期存在于声学标准化领域的空白，使得声功率级测量结果的不确定度评定工作从“各有其法”走向“统一规范”。该标准的核心价值体现在以下几个方面：1.提升了测量结果的可信度与可比性：统一的不确定度评定与报告格式，使得不同实验室、不同时间出具的声功率级数据具备了坚实的技术基础，为国际间的测试结果互认铺平了道路。2.简化了工程实践：通过优先推荐GUM法和提供简化的不确定度分量模型（包括建议忽略大多数相关性），本标准大幅降低了声学工程师和实验室技术人员进行不确定度评定的技术门槛和计算工作量，提高了标准在企业质量控制和产品检验中的可操作性。3.为法定计量和产品认证提供了依据：在许多国家和地区，如欧盟的机械指令、中国的能效标识制度，均对产品的噪声限值作出规定。本标准的出台，为这些法规的执行提供了一套严谨、权威的测量质量评价体系。展