声学基础知识整理Word下载.docx

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空气中，c=+或（m/s）

在水中声速约为1500m/st—摄氏温度

传播方向上单位长度的波长数，等于波长的倒数，即1/λ。

有时也规定2π/λ为波数，用符号K表示。

质点速度

质点因声音通过而引起的相对于整个媒质的振动速度。

声波传播不是把质点传走而是把它的振动能量传走。

声场

有声波存在的区域称为声场。

声场大致可以分为自由场、扩散场（混响场）、半扩散场（半自由场）。

自由场

在均匀各向同性的媒质中，边界影响可忽略不计的声场称为自由场。

在自由场中任何一点，只有直达声，没有反射声。

消声室是人为的自由场，是由吸声材料和吸声结构做成的密闭空间，静谧无风的高空或旷野可近似为自由场。

扩散场

声能量均匀分布，并在各个传播方向作无规则传播的声场，称为扩散场，或混响场。

声波在扩散场内呈全反射。

人为设计的混响室是典型的扩散场。

无论声源处于混响室内任何位置，室内各处声压接近相等，声能密度处处均匀。

自由场扩散场（混响场）

半扩散场

如果实验房间很大，以至边界墙面和天花板的反射可以忽略，只剩下地面的反射，这种空间称为半扩散场，或半自由场。

精密的声学测量和分析要求在自由场或者扩散场进行，一些工程要求的测试可以在半自由场进行。

近场和远场

在不足两倍机械尺寸或所发声波频率最低的一个波长距离之内（两者取大者），为近（声）场，大于此距离为远（声）场。

近场的质点速度与瞬时声压不同相，远场的质点速度与瞬时声压同相。

距离增加一倍，点声源声压级降6dB,线声源声压级降3dB。

声压与声压级

声压

由于声波存在而引起的大气压力增值，用符号p表示。

单位是Pa或N/m2。

听阈声压也称为基准声压p0=2×

10-5Pa（1000Hz），即标准化额定听阈，表示有正常听力的人，平均能听到的1000Hz的最低声音。

在水中p0=1μPa。

通常p和p0指有效值而非瞬时值。

dB标尺

由于可检测到的声压幅值范围很大，而人耳对声压刺激的反应与对数规律有关，习惯上在表示声学参数时，都是取测量值和参考值的比率的对数值，即采用dB标尺。

声压级—SPL或Lp

p—实际声压

痛阈声压和声压级分别为p=20Pa,Lp=120dB（1000Hz）

相同声压级加法

两个同声压级相干单频声源叠加，声压级增加6dB。

两个同声压级非相干声源叠加，声压级增加3dB。

工程上遇到问题一般是加3dB。

不同声压级加减法

查表：

例：

L1=55dB，L2=51dB

ΔL=4dB，对应增量L+=

所以：

55dB+51dB=（55+dB=

L1=60dB，L2=53dB

ΔL=7dB，对应减量L-=1dB

60dB-53dB=（60-1）dB=59dB

计算：

55dB+55dB=10lg（1055/10+1055/10）=58dB

55dB+40dB=10lg（1055/10+1040/10）=55dB

60dB-53dB=10lg（1060/10-1053/10）=59dB

两个声源声压级相差15dB以上，则小的声压级影响可忽略。

声强和声强级

声强

单位时间内，声波通过垂直于声波传播方向单位面积上的声能量。

用符号I表示，单位为W/m2。

声压变化引起媒质质点的移动，声强即是声压与质点速度的积。

对于球面波和平面波，声强与声压的关系：

p—声压ρ—介质密度c—声速

W—声功率r—测量点到点声源的距离

ρc—声阻抗20℃时ρc=408（瑞利，Kg/m2s）

v—质点速度，v=p/ρc

声强级—SIL或LI

基准声强I0=10-12W/m2（1000Hz）

空气在室温时，与基准声压相对应的声强近似等于基准声强，因此自由场中，声强级与声压级数值近似相等；

扩散场（混响场）中声强处处为零。

声功率和声功率级

声功率

单位时间内，声波通过垂直与声波传播方向某指定面积的声能量。

一般指的是所谓声源声功率，即声源辐射的总声功率，单位为W。

人正常讲话声功率约为10-5W。

距离点声源距离为r的球面各点声强I与声功率W的关系：

声功率级—SWL或LW

基准声功率W0=10-12W

对球面波：

LW=LP+20lgr+11（dB）

对半球面波：

LW=LP+20lgr+8（dB）

在混响室：

LW=LS-10lgT+10lgV-14（dB）？

LS—混响场中平均声压级V—房间容积

T—混响时间，一般指T60，声源停止后声压级下降60dB所需时间。

噪声的频谱

倍频程（Octave）

将频谱分为若干个连续的频段（每个频段的上限频率等于下一个频段的下限频率），每个频段为一个频带，以直方图表示。

令

N=1：

一倍频程，简称倍频程；

N=1/3：

三分之一倍频程；

N=1/12：

十二分之一倍频程

……

中心频率

带宽

常见的有1/1、1/2、1/3、1/12、1/24倍频程分析，其中1/3倍频程分析最常用。

1/3倍频程可由FFT线状谱通过一定综合运算得出。

声谱

频率为横坐标，声音的强弱（声压级、声强级或声功率级）为纵坐标，绘制出声音强弱随频率分布的线图称为声音的频谱，简称声谱。

由FFT分析得到的频谱，具有等带宽性质，其频率分辨率等于谱线间隔Δf,这种方法谱线较多，Δf较小，可称为窄带谱。

声音的频率范围很宽，一般不可能，也没有必要对每个频率逐一测量，一般都用1/1倍频程或1/3倍频程进行分析。

用声谱进行分析时，可得到线谱和连续谱等。

线谱多是由转动引起的谐波，可用于改进机械结构；

连续谱反应整体结构的噪声状况，可用于整体降噪改进（减振、隔振等）。

倍频程滤波器

滤波器按带宽类型可以分为恒百分比（比例）带宽滤波器和恒（值）带宽滤波器。

FFT分析大多用恒（值）带宽滤波器，声学测量需要用恒百分比（比例）带宽滤波器。

计权声级

响度级和等响曲线

人耳对声音强弱的主管感受，不仅与声压级有关，而且与频率和波形有关。

工程上，用响度级P（单位：

Phon）来度量这种主观感觉。

对于频率为1000Hz的纯音，响度级和声压级的数值是相等的，只是单位不同。

其它频率的纯音，响度级和声压级的关系由等响曲线给出。

作为声品质分析依据的等响曲线，是由大量心理学试验得出的结果。

纯音的等响曲线

考虑到人耳对不同频率的声音敏感度不同（对3K～6KHz的声音最敏感），在一般噪声测量仪器中，常配置一些特定的滤波电路，叫计权网络。

通过计权网络得到的声压级，叫做计权声级，简称声级。

A、B、C三种计权网络特性，分别对应于倒置的40、70、100Phon等响曲线（1000Hz归一化到0dB），其作用是分别反应人耳对低、中、高声压级的响度感觉。

A计权被证实是人耳对声压级主观反应的极好校正。

对由A计权测量的声级称为A声级，记作LPA或dB（A）。

近来B计权、C计权已很少采用。

A计权：

40Phon等响曲线的翻转，模拟55dB以下低强度噪声特性。

B计权：

70Phon等响曲线的翻转，模拟55～85dB中等强度噪声特性。

C计权：

100Phon等响曲线的翻转，模拟高强度噪声特性。

D计权：

专用于飞机噪声的测量。

标准计权曲线

等效连续声级

在评定间断的、脉冲的或随时间变化的不稳定噪声时，用一段时间内能量平均的方法表示噪声大小，称为等效连续声级。

用符号Leq表示，等效连续A计权声压级用LAeqT或LAT表示：

T—总测量时间,T=t2-t1

PA（t）—A计权瞬时声压

可用同样公式计算非A计权声压级信号P（t），得到Leq。

声暴露和声暴露级

在规定时间间隔或过程内，随时间变化的频率计权声压平方的时间积分。

A计权声暴露，用符号EA表示。

对于工作场所的噪声暴露测量，用帕平方小时为单位会更方便。

与EA对应的A计权声暴露级用LAE表示：

T0—基准时间间隔，1s

E0—基准声暴露，E0=p02T0=400×

10-12Pa2s

传声器

电容传声器

金属膜片感受声压变化发生振动，与背极板之间的电容随之变化。

在极化电压e0的作用下，负载R上产生与声压成比例的交变电压。

现在膜片厚度可做到5μm，两极距离可做到20μm。

驻极体传声器

用驻极体材料做成的电容传声器，有两种结构：

a、用驻极体高分子薄膜材料做振膜

b、用驻极体材料做背极板

市售ICP传声器是内置前置放大IC电路的驻极体传声器，可以与ICP加速度传感器用同一个电源（如DC24V供电）。

传声器的保养

连接传声器时，确保所有设备处于关闭状态，绝不在电源打开的状态连接传声器。

小心操作，使膜片远离灰尘和其它物体，绝不触摸膜片。

在干燥的地方保存，推荐使用自带保存盒，不要将传声器暴露在过湿、过冷和过热的环境中。

声级计

声级计是最基本的噪声测量仪器，是集成设备，有标准的时间计权和测量参数。

主要构成如图：

普通声级计（Ⅱ型）频率范围：

～8000Hz准确度±

1dB

精密声级计（Ⅰ型）频率范围：

20～12500Hz准确度±

积分声级计允许测量等效连续声级。

每个系列测量前后都需要标定，并记录标定结果。

一般用声级校准器或活塞发声器作为标定工具。

如果测试是在一个相当长的时间内进行，则每天至少需要标定两次。

检定的声学内容主要包括：

指示声级调整（校准）、指向性相应、频率计权和频率响应、级线性、时间计权F和S、猝发音响应、重复猝发音响应、统计计算功能等。

声强测量的基本原理

时域分析

对于某r方向，瞬时声强计算方法：

频域分析

由两个传声器信号的互功率谱的虚部可求出声强。

总的平均声强为

GAB—两个传声器信号的单边互谱Im表示取虚部

影响声强测量的主要因素

1、有限差分误差，即

2、传声器相位适配误差

3、背景噪声影响

双传声器声强探

声强探头是由两个相靠近的特性非常一致传声器组成。

传声器间距与波长的比值要足够小；

需要测量的频率越高，两个传声器探头距离就要越近,理想的声强探头两个传声器应具有相同的相位响。

声强计算结果有正有负，正负表示的是声强的方向。

声压法测量声功率级

半球包络面

矩形包络面

平均声压级计算

传声器在测量表面上均匀分布时，

N—测点总数

Lpi＇—第i个传声器测得的声压级

—测量表面平均声压级

—被测声源工作期间测量表面的平均声压级

声功率级计算

S—测量总表面积S0—基准表面积，1m2。

只有一个反射面时，传声器所在的半球表面面积S=2πr2；

被测声源位于一面墙前时，S=πr2；

如果位