声学测量分析技术方案.docx
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声学测量分析技术方案
声学测试剖析技术方案
一、声压
声波流传过程中,空气质点也随之振动,产生压力颠簸。
一般把没有声波存
在时媒质的压力称为静压力,用p0表示。
有声波存在时,空气压力就在大气压
邻近起伏变化,出现压强增量,这个压强增量就是声压,用p表示。
声压的单位就是压强的单位,在SI单位制中,面积S的单位是米2,力F
的单位是牛(顿),其声压的单位是牛/米2,记为N/m2,或称为帕(斯卡),记
为Pa,其协助单位为微巴,记为bar(达因/厘米2,dyn/cm2)。
换算关系为:
1Pa1N/m210dyn/cm2与大气压对比,声压是相当小的。
在
10bar
1000
(1—3)
赫时的可听声压范围大概在
0.0002~200微巴之间。
声压随时间起伏变化,每秒钟内变化的次数很大,传到人耳时,因为耳膜的惯性作用,鉴别不作声压的起伏,即不是声压的最大值起作用,而是一个稳固的有效声压起作用。
有效声压是一段时间内刹时声压的均方根值,这段时间应是周期的整数倍。
有效声压用数学表示为
1
T
2
(1—4)
p
pt
dt
T
0
式中T——周期;
pt——刹时声压;
t——时间。
关于正弦声波ppm/2,pm为声压幅值,即最高声压。
在实质使用中,
若不另加说明,声压就是有效声压的简称。
二、声压级Lp
一个声音的声压级是这个声音的声压与基准声压之比的以10为底的对数的
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20倍,即Lp
p
(1-11)
20lg
po
式中Lp----
声压级,分贝;
p-----
声压,帕;
po----
基准声压,取po=20微帕。
有了声压级的观点,便可把由声压值表示的数百万倍变化,改变成0~120
分贝的变化范围。
三、声学频谱
声频范围很广,从低频到高频变化高达1000倍,一般不行能,也没有必需
对每个频次逐个丈量,为方便和适用上的需要,往常把声频的变化范围区分为若
干个较小的段落,称为频程,或频段、频带,一般它是两个声或其信号频次间的
距离。
频程有上限截止频次值、下限截止频次值、中心频次值和上下限截止频次
之差。
上、下限截止频次之差即是中间地区,称为频带宽度,简称带宽。
一般频程以高频与低频的频次比的对数来表示,此对数往常以2为底,其单
位称倍频程。
即
f2
2
n
或
f2
(1-15)
f1
nlog2
f1
式中
f1、f2----
成倍频程关系的低频和高屡次率,即下、上限截止频次;
n---------
两个频次对比的倍数。
n能够是随意正实数,n越小,分的越细,频程越短,丈量所需时间就越多,当n=1时,即两个频次相距1倍时,称倍频程,简称倍频程;当n1/3时,称1/3倍频程,依此类推。
在倍频程中,频程间的中心频次之比都是2:
1,此中心频次是上、下限的
几何均匀值,即
fof1f2
--2
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四、计权声级
声波的性质主要由声强盛小、频次高低和波形特色决定。
人们的听觉也是因为对声音强、弱、调子高低和音色产生奇妙的差别才能分辨出各样不一样的声音。
因此确立物理量数值与主观感觉的关系是必需的。
设置计权网络,经过对人耳敏感的频次加以重申,对人耳不敏感的频次加以衰减,就能够直接读出反应人耳对噪声感觉的数值,使主客观量趋于一致。
常用的计权网络A、B、C三种。
当前还出现DD1、D2、E和SI几种计权,
一般采纳A计权网络。
A计权网络是效仿倍频程等响曲线中的40方曲线的反曲线而设计的。
它较
好地模拟了人耳对低频(500赫以下)不敏感,对1000~5000赫声敏感的特色。
用A计权丈量的声级来代表噪声的大小,称为A声级,记为分贝(A),或dBA。
五、信号办理过程的加窗与均匀
常用窗函数
在对信号进行频域办理时,先要对数据加窗选用,以减小谱的泄漏。
常用的几种窗函数以下:
(l)矩形窗
矩形窗属于时间变量的零次幂窗,函数形式为
(1-28)
--3
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相应的窗谱为:
(1-29)
矩形窗使用最多,习惯上不加窗就是使信号经过了矩形窗.这类窗的长处是主瓣比较集中,弊端是旁瓣较高。
(2)汉宁(Hanning)窗
汉宁窗又称升余弦窗,其时域表达式为:
(1-30)
相应的窗谱为:
--4
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(1-31)
汉宁窗能够看作是3个矩形时间窗的频谱之和,或许说是3个sine(t)型函数之和,而括号中的两项相关于第一个谱窗向左、右各挪动了π/T,进而使旁瓣相互抵消,消去高频扰乱和漏能。
(3)海明(Hamming)窗
海明窗也是余弦窗的一种,又称改良的升余弦窗,其时间函数表达式为:
(1-32)
其窗谱为:
--5
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(1-33)
海明窗与汉宁窗都是余弦窗,不过加权系数不一样。
海明窗加权的系数能使
旁瓣达到更小。
剖析表示,海明窗的第一旁瓣衰减为一42dB.海明窗的频谱也
是由3个矩形时窗的频谱合成,但其旁瓣衰减速度为20dB/(10oct),这比汉
宁窗衰减速度慢。
海明窗与汉宁窗都是很实用的窗函数.
除了以上几种常用窗函数之外,另有多种窗函数,如平顶窗、帕仁(Parzen)窗、布拉克曼(Blackman)窗、凯塞(kaiser)窗等。
窗函数的选择应试虑被剖析信号的性质与办理要求.假如仅要求精准读出主瓣频次,而不考虑幅值精度,则可采纳主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗;
假如剖析窄带信号,且有较强的扰乱噪声,则应采纳旁瓣幅度小的窗函数,如汉宁窗、三角窗等;关于随时间按指数衰减的函数,可采纳指数窗来提升信噪比.
均匀方式
数字信号办理中,依据研究目的和被剖析信号的特色,常使用以下几种均匀
方式进行办理。
(1)线性均匀
线性均匀:
YN
=(1/N)*
Σi
(
1-34
)
Xi=1~N
所有输入数据的影响都是1/N.
线性均匀要把所有输入数据储藏后再计算,可改为递推线性均匀
--6
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推性均匀:
Y2=Y1,2=(1/2)*(X1+X2)算后X1,X2可除
Y3=Y1,2,3=(X1+X2+X3)=(2/3)*Y2+(1/3)X3算后Y2可除
⋯⋯⋯⋯⋯
Yn=((n-1)/n)*Yn-1+(1/n)*Xnn=1~N
(2)指数均匀
一微分方程
Tc(dy(t)/dt)+y(t)=x(t)Tc---常数(1-35)
以采隔t失散成一差分方程,
dt→Δt,y(t)→y(n)---yn,x(t)→x(n)---
xn,dy→yn-yn-1
Yn=((N-1)/N)*Yn-1+(1/N)*Xn
(1-36)
因Tc>t,可令Tc/t=N,
Yn=((N-1)/N)*Yn-1+(1/N)*Xn
(1-37)
例:
N=4,Xn=[X1X2X3X4X5⋯⋯]Y1=(1/4)*X1
Y2=(3/4)*Y1+(1/4)*X2=(3/4)*(1/4)*X1+(1/4)*X2
Y3=(3/4)*Y2+(1/4)*X3=(3/4)*(3/4)*(1/4)X1+(3/4)*(1/4)*X2+(1/4)*X3
Y4=(3/4)*Y3+(1/4)*X4=(3/4)*(3/4)*(3/4)*(1/4)*X1+(3/4)*(3/4)*(1/4)*X2
+(3/4)*(1/4)*X3+(1/4)*X4
可过去入数据在出的影响按((N-1)/N)m逐减小(忘)。
(3)最大保持
保持声最大的一次果,作最的剖析果。
六、测试基来源理及流程
传声器(专用的声学传感器)将刹时声压信号变换为电压信号,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(附带)、均方根检波和对数变换,最后给出噪声的声压级、计权声级或倍频程声压级;还能够输出与成比率的电压信号供监测、储存和频谱平剖析之用。
--7
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声学丈量倍频程剖析方法流程图
七、试验所需仪器设施:
6、1动向信号测试剖析系统
动向信号测试剖析系统
网络型动向信号测试剖析系统,应用范围特别宽泛,一套系统,便可达成应
力应变、振动(加快度、速度、位移)、冲击、声学、温度(各样种类热电偶、
铂电阻)、压力、流量、力、扭矩、电压、电流等各样物理量的测试和剖析
输入阻抗
10MΩ∥40PF
当满度值不大于
10V时,输入信号大于±15V(直流或沟通峰值
)时,输
输入保护
入全保护;当满度值为20V时,输入信号大于±30V(直流或沟通峰值)
时,输入全保护
输入方式
GND、DC(单端、差分)、AC、ICP
数据收集器
单端输入、差动输入、ICP适调输入
工作方式
外接适调器(选
ICP适调器(带双积分硬件网络)、应变适调器、电荷
适调器、电荷适调器(带双积分硬件网络)、4~20mA
件)
适调器、双恒流源应变适调器
满度值
±100mV、±200mV、±500mV、±1V、±2V、±5V、±10V、±20V
最大剖析频宽
DC~100kHz
低通滤波器
截止频率
10、30、100、300、1k、3k、10k、PASS(Hz)八档
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(-3dB±1dB)
分档切换
平展度
小于0.1dB(2/3截止频次内)
阻带衰减
大于-24dB/oct
信号状态指示
过载指示
输入大于满度值,指示灯为红色,表示过载
50mV指示
输入小于满度的0.5%,指示灯为绿色,表示欠载
模数变换器分辨率
24位Σ-A/D变换器;
最大通道数
每台仪器可有
16通道或32通道,每台计算机可控制无穷多通道
通信接口
100Mbps以太网接口
所有通道(无穷多)同时工作时,每通道10、20、50、
连续采样速率
(存
整数采样速率
100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、100k
、
贮深度由计算机剩
200k(Hz)分档切换
余硬盘空间容量决
所有通道(无穷多)同时工作时,每通道5、10、20、
定)
整数剖析频次
50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k、50k、
100k(Hz)分档切换;
滤波方式
每通道独立的模拟滤波+及时数字滤波组合抗混滤波
器;
抗混滤波器
截止频次
采样速率的1/2.56倍,设置采样速率时同时同步设定
阻带衰减
约120dB/oct
平展度(剖析频
小于
率范围内)
仪器工作电源
沟通电源
220V,50Hz
直流电源
10~18V
使用环境
合用于GB6587.1-86-Ⅱ组条件
外形尺寸
236mm(宽)×133mm(高)×317mm(深)(十六通道);
482mm(宽)×133mm(高)×317mm(深)(三十二通道)。
6、2声学丈量传感器系统
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声传感器是把外界声场中的声信号变换成
电信号的传感器。
它在通信、噪声控制、环境
检测、音质评论、文化娱乐、超声检测、水下
探测和生物医学工程及医学方面有宽泛的应
用。
自由声场定义:
均匀的各向同性的非流动
媒质中,界限影响能够不计的声场。
能感觉声压并变换成可用输出信号的传感
器称为声压传感器。
它有以下的几种实现形式:
电阻变换式、压电式和电容式。
压电式声压传感器利用压电晶体的压电效
应制成的,压电晶体的一个极面和膜片相连结,
当声压作用在膜片上使其振动时,膜片带动压
动晶体产生振动,压电晶体在机械应力的作用
下产生随声压大小变化而变化的电压,进而完
成声-电的变换。
理想的丈量传声器应当知足以下条件:
1)与声波波长对比,传声器的尺寸应当很小,不会对声场产生扰乱;
2)在声频范围内拥有拥有优秀的频次响应特征,即平展的幅频特征和零相移的相频特
性;
3)动向范围宽。
传声器应在很宽的动向范围内拥有恒定的声压-电压变换敏捷度;
4)性能稳固。
5)高敏捷度和低的电噪声。
6、3声学剖析软件系统
声学软件基本办理方法
八、典型事例
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线性幅值谱
1/3倍频程
声压丈量结果:
获得频域上最大值对应的频次及其声压级值,并显示整个频域的总声压级值等参数。
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