声学基础知识整理.docx

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声学基础知识整理

噪声产生原因

空气动力噪声

由气体振动而产生。

气体的压力产生突变，会产生涡流扰动，从而引起噪声。

如空气压缩机、电风扇的噪声。

机械噪声

由固体振动产生。

金属板、齿轮、轴承等，在设备运行时受到撞击、摩擦及各种突变机械力的作用，会产生振动，再通过空气传播，形成噪声。

液体流动噪声

液体流动过程中，由于液体内部的摩擦、液体与管壁的摩擦、或者流体的冲击，会引起流体和管壁的振动，并引起噪声。

电磁噪声

各种电器设备，由于交变电磁力的作用，引起铁芯和绕组线圈的振动，引起的噪声通常叫做交流声。

燃烧噪声

燃料燃烧时，向周围的空气介质传递了热量，使它的温度和压力产生变化，形成湍流和振动，产生噪声。

声波和声速

声波

质点或物体在弹性媒质中振动，产生机械波向四周传播，就形成声波（声波是纵波）。

可听声波的频率为20～20000Hz,高于20KHz的属超声波，低于20Hz的属次声波。

点声源附近的声波为球面波，离声源足够远处的声波视为平面波，特殊情况（线声源）可形成柱面波。

声频（f）声速（c）和波长（λ）

λ=c/f

声速与媒质材料和环境有关：

空气中，c=331.6+0.6t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+=1.4dB

所以：

55dB+51dB=（55+1.4）dB=56.4dB

L1=60dB，L2=53dB

ΔL=7dB，对应减量L-=1dB

所以：

60dB-53dB=（60-1）dB=59dB

计算：

例：

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

计权声级

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：

31.5～8000Hz准确度±1dB

精密声级计（Ⅰ型）频率范围：

20～12500Hz准确度±0.5dB

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；如果位于一个墙角上，S=0.5πr2。

声强法测量声功率

原理

声强法测量声功率原理：

测量完全包围被测声源测量面上的法向声强分量，声功率等于包围声源的某一表面的法线方向的声强的平均值乘以这个表面的表面积。

声压法测量声功率对环境要求较高，必须在消声室、半消声室或混响室进行。

声强法对环境要求不高，受背景噪声影响小，可在半自由场甚至现场进行。

计算方法

i—测量包络面的分块序号，N—测点总数,不少于10个。

包络面离被测声源距离不小于0.5m,每个Si不大于1m2。

声学材料测试

声波入射到吸声材料表面时，

以i,r,t分别表示入射、反射、透射。

垂直入射时，

吸声系数：

α<0.1坚硬表面，高反射低吸收。

如钢板、花岗岩等。

α>0.9高吸声材料，低反射。

如泡沫、玻璃纤维等。

α=1所有入射声全部被吸收。

吸声原理：

声波进入吸声材料内部，与材料发生摩擦作用，将声能转化为热能。

吸声性能取决于多个因素：

材料厚度、孔隙率、频率、流阻、表面光洁度等。

随着频率增高吸声系数逐渐增大，要改善低频吸声效果需增加材料厚度。

透射系数

传声损失（隔声量）

高频声音比低频声音更容易隔绝，双层隔声结构显著改善隔声效果。

几种声学试验室

全消声室

六个面全部铺设成高效吸声材料的房间，模拟近似自由场，没有反射声。

对于高频声的吸收效果明显，对低频声音的吸收取决于房间的体积和吸声材料厚度等特性。

可用于测量声源声功率、辐射声源指向特性等。

半消声室

五个面铺设吸声材料，地板为光滑反射面的房间，模拟半自由场空间，适用于大型机械和设备的声学测试。

混响室

在所有边界上能全部反射声能，并充分扩散，能形成扩散场的房间。

可用来测量声源声功率、材料吸声系数等。

房间表面尽量不规则，使混响时间尽量长，保证声能充分扩散。

声品质评价

评价声品质的最佳方法是组织听众进行评价，现已有多种度量方法，都是对声压信号作分析计算，得到与感觉相关的定量度量。

除了声压级，现在常用的还有响度、尖锐度、粗糙度、抖动强度、音高、清晰度指数、语言干扰级、冲击量等。

掩蔽效应（Maskingeffect）

一个声音（被掩蔽音）的听阈受到另一声音（掩蔽音）的干扰而提高的现象。

两个声音频率差别达到一定程度，这种影响会减小。

即强声易掩蔽弱声，低频纯音可有效掩蔽高频纯音。

窄带噪声掩蔽纯音时临界频带掩蔽作用最明显。

临界频带：

噪声掩蔽纯音时，起作用的是以纯音频率为中心频率的一定频带内的噪声。

如果这频带内的噪声功率等于在噪声中刚能听到的该纯音的功率，这个频带就称为临界频带。

频域掩蔽：

掩蔽声与被掩蔽声同时作用时，强音会掩蔽其周围的弱音。

时域掩蔽：

被掩蔽声发生在掩蔽声之前叫前掩蔽，被掩蔽声发生在掩蔽声之后叫后掩蔽。

中心频率和声强弱相同时，窄带噪声掩蔽效应强于纯音。

响度（Loudness）

响度级的对数标尺导出为线性标尺，得到响度，用S表示。

单位：

Sone。

1000Hz的纯音声压级为40dB时响度为1Sone。

响度与响度级关系：

对于稳态声音响度的计算，现在得到ISO认可的分别是由斯蒂文司（Stevers）和兹维克尔（Zwicker）提出的算法。

两种方法都是用图形表示出倍频程带声压级和倍频程带局部响度间的关系，且都涉及掩蔽效应。

尖锐度（Sharpness）

尖锐度是声音是否使人愉悦的一种感觉，评价声音是尖锐还是沉闷（SharporDull）。

尖锐度感觉主要与窄带声的谱成分及中心频率有关，越是高频尖锐度越高。

单位：

acum（acumer）的缩写,1acum的参考声为1000Hz,声压级60dB，带宽等于一个临界带的窄带噪声。

某一临界带的尖锐度用分量

表示，以acums表示总尖锐度S，总尖锐度S由尖锐度分量

的积分求出。

粗糙度（Roughness）

粗糙度是声音受幅值调制时的声品质评价指数，反应声音幅值调制特性，与调制频率和调制深度有关。

调制频率高于20Hz时表现为粗糙度，用符号R表示。

单位：

asper（asperity的缩写）。

规定1KHz,60dB的纯音被70Hz，100%幅值调制时为1asper。

抖动强度（Fluctuationstrength）

抖动强度也反应声音幅值调制特性，调制频率低于20Hz时，可直接感觉到音量随时间的变化。

与相同有效值的平稳信号相比，抖动信号的感觉更响。

在这种情况下感觉到的强度，称为“抖动强度”，用F表示，单位：

vacil（vacillate的缩写）。

规定1KHz,60dB的纯音被4Hz，100%幅值调制时为1vacil。

音高（Pitch）

音高是声音的一种属性，它以由低至高的标尺对音作分类。

纯音的音高主要依赖于频率，但也受声压级影响。

多个谱分量组成的复合音，可感觉到一个或多个音高，很大程度上依赖于各分量的频率，但也可能发生掩蔽效应，使得某些音高比其它音高更为突出。

纯音或复合音的音高可由信号的谱分布求出，称为谱音高（spectralpitches）。

计算音高时，如果计及声压级对音高的影响，得到的音高称为真实音高；如果忽略声压级影响，则称为标称音高。

清晰度指数（Articulationindex或AI）

清晰度指数是以保证交谈的私密性观点提出的参数。

交谈的私密性指背景声或噪声侵扰正常交谈的程度，提供私密性的正面评价。

噪声对语言的掩蔽造成的干扰作用，可通过对噪声的1/3倍频程频谱按其对语言的可懂度影响的重要程度适当加权，经由加权谱求出清晰度指数。

语言干扰级（SpeechInterferenceLevel,SIL或PSIL）

SIL定义为600～1200Hz、1200～2400Hz和2400～4800Hz三个频带声压级的算术平均值。

后由于新规定了所谓优先倍频程带的设限，SIL被改称为优先（Preferred）语言干扰级，用PSIL表示。

规定取中心频率500Hz、1000Hz和2000Hz的三个倍频程带声压级的算术平均值。

1977年美国国标加入了4000倍频程带，与ISO的建议一致。

语言干扰级（dB）与通话状态及举例的关系如下：

对话距离（m）

可正常对话

需提高嗓门

需很响

需高喊

0.15

74

80

86

92

0.3

68

74

80

86

0.6

62

68

74

80

1.2

56

62

68

74

1.8

52

56

64

70

3.7

46

52

56

64

冲击量（Impulsiveness）

冲击量用于量化信号的冲击性质，基于信号的包络分析，结果用多个输出值表示，包括平均脉冲峰值电平，平均脉冲上升斜率和平均脉冲作用时间。

另外还要计算平均脉冲发生率。

（注：

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