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噪声的测试

发布日期:2017-12-20 15:18:59 【关闭】
摘要:噪声是许多不同频率和声强的声波无规律的杂乱无章的组合,是一种不协调的声音。它不但影响人们的工作和休息,使人烦躁不安,而且会损害人体健康。为了降低噪声水平,要对噪声进行监测、控制,噪声的测量是研究噪声的重要手段

   一、噪声的概念

  噪声是许多不同频率和声强的声波无规律的杂乱无章的组合,是一种不协调的声音。它不但影响人们的工作和休息,使人烦躁不安,而且会损害人体健康。为了降低噪声水平,要对噪声进行监测、控制,噪声的测量是研究噪声的重要手段。噪声的测试原理和方法涉及的内容比较广,本文只讨论一些基本概念和方法。

  1.声压和声级

  当物体产生机械振动时,在介质中以波动的形式传播振动,这就是声波。在空气中传播的声波,会在大气压上叠加一个微小的交变压力,气压波动的大小称为声压,单位为 Pa。可以用声压来衡量声音的大小。

  在工程实际中以声压对基准声压的相对值的对数来表示,称为声级Lp,单位为dB。

QQ截图20171219111951

  式中 p- 实际声压;

         p0——— 基准声压,在空气中p0 =2×10-5 Pa。

  声级每变化120dB,相当于声压变化百万倍,引用声级的概念有利于度量,例如,人的正常耳闻声压范围大约在2×10-5~20Pa之间,相差10 倍左右,用声级表示就比较简便,即Lp =0~120dB。

  2.响度和响度级

   人的耳朵对声音的感觉不仅和声压有关,还和频率有关,如声级相同的声音,由于频率不同听起来感觉是不一样的,频率越高则感觉越响,人耳的这种对响度的感觉特性可以用响度级概念来描述,响度级的单位为“方”(phon)。它是这样确定的:以1000Hz的纯音作为基准,某一噪声的声音只要听起来和基准音的声响一样,该噪声的响度级就等于基准音的响度级,可见响度级是一个相对的数量。对于1000Hz的声音,响度级等于其声压级的数值。对于其他频率的声音,只要听起来和1000Hz的声音一样响,它就等于该1000Hz声音的声压级值。

  弗莱彻和鲁宾逊等学者通过对许多人的测试,测出了声级和响度级关系的特性,称为等响度曲线。如图7.62所示,图中最下方的一条曲线是人耳能听到声音的最小临界值。120phon以上的声音人听起来会有疼痛。从整个曲线可看到人耳对高频声音较为敏感,而对低频声音较不敏感。

gooxian-等响度曲线

   二、噪声测试的原理

  在噪声测量中,声级计是使用最广泛的基本声学测量仪器之一,它的声学指标必须符合国际电工委员会(IEC)规定的标准。声级计按其精度可分为精密声级计和普通声级计两种。普通声级计的测量误差约为 ±3dB,精密声级计约为 ±1dB。声级计按用途可分为两类:一类用于测量稳态噪声,如精密声级计和普通声级计;另一类则用于测量不稳态噪声和脉冲噪声,如积分式声级计(噪声测量计)、脉冲声级计。

  声级计的设计原理及结构示意图如图7.63所示,它主要是由传声器、前置放大器、衰减器、(A,B,C,D)计权网络、测量放大器、衰减器、方均根检波器(有效值检波器)以及指示表头等组成。声级计的工作原理是:由传声器将声音转换成电信号,由前置放大器进行阻抗变换,使电容式传声器与后级电路匹配,放大器将输出信号加到计权网络,对信号进行频率计权(或外接倍频程、1/3倍频程滤波器),然后再经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值,送到有效值检波器(或外接电平记录仪),在指示表头上给出噪声声级的数值。为了扩大量程和指示清晰,声级计中有输入和输出两套衰减器和放大器。

 

gooxian-声级计工作原理

   1.传声器

   传声器也叫话筒,是一种将声压转换成电压的传感器。传声器是声学测量仪器中最重要的部件。确定传声器性能的标准是它的频率响应在主要测量频率范围内要平直,无指向性和动态范围大,另外,还要求受温湿度影响小,稳定性好,本底噪声低。

   传声器内部结构主要包括两部分:一是接受声音压力的振动膜;二是能把振动膜的能量转换成电能的机电转换器。按照换能器的结构不同主要有三种传声器。

  (1)压电式传声器。它是利用压电晶体的压电效应做成的声电转换传感器,因此也称为晶体式传声器,这种传声器高频响应范围不够宽,它还容易受温度影响,但是它的优点是体积小,结实可靠。

   (2)动圈式传声器。它是将一线圈与隔膜连接,当声压使线圈在磁场中运动时产生电信号。它的输出阻抗比较低,可以与显示记录设备相连。这种传声器易受周围磁场干扰,测量误差比较大。

   (3)电容式传声器。如图7.64所示。它由振动膜片和背极板构成平板电容器,当膜片感受到声压波动而振动时,随之改变平衡位置,导致两平行极板间的距离发生微小变化,于是改变了电容量,在极化电压的作用下,负载 R 上将产生电压,这样就将声压变换成电信号。电容式传声器的输出阻抗很高,需要使用前置放大器进行阻抗变换,然后再进入测量放大器使信号放大。它的灵敏度高,动态范围较宽,频率特性平坦,是性能比较优良的传声器,成为当前使用的主要类型。

  

gooxian-电容传声器

   2.频率计权网络

  频率计权网络是噪声测试中特有的电路。人耳具有对高、中频较敏感,而对低频的声音感觉较迟钝的特性。从噪声对人的影响的评价着眼,测量仪器测出的噪声大小与人耳的感觉基本一致。声级计只要加上计权网络 A,B,C后就可以达到上述特性。这些计权网络是按照三种等响曲线特性设计的滤波网络,对不同声音的信号进行不同程度的衰减,使得仪器的测量结果能近似符合人耳对声音的感觉。图7.65为计权网络的频率特性。

gooxian-计算机网络的频率特性

   A 计权网络频响曲线相当于40phon的等响曲线的倒置曲线,它模仿了人耳对低频(500Hz以下)不敏感,而对1000~5000Hz敏感的特点,从而使电信号的中、低频段有较大的衰减。目前应用最为广泛。B网络相当于70phon的等响曲线的倒置曲线,它使电信号的低频段有一定的衰减。C网络相当于100Phon的等响曲线的倒置曲线,在整个声频范围内有近乎平直的响应,它让所有频率的电信号几乎一样程度地通过。因此,C网络代表了声频范围内的总声压级。

  在噪声测量中,经常使用 A 声级来测量和评价宽频率范围噪声。目前应用最为广泛。因为经过多年来的实践和研究表明,用 A 计权网络测得的声级与由宽频率范围噪声引起的烦恼和听力危害程度的相关性较好。但一般的声级计中同时具有三种计权网络 A,B,C。通常 C声级可近似用于总声压级的测量,在进行频率分析时多用这一特性。在没有携带滤波器时,可以用 A,B,C声级近似地估计所测噪声源的频谱特性。此外,航空噪声的测量采用 D计权网络,还有平直线性响应的 L计权网络。为了得到与人耳相适应的声级,应当根据声级大小用响应的计权网络测量,如果作客观量度则用 L计权网络,测得的分贝数为声压级。

  3.指示表头

  目前,测量噪声用的声级计指示响应按灵敏度可分为四种:

  (1)“慢”,表头指示响应时间常数为1000ms,一般用于测量稳态噪声,测得的数值为有效值。

  (2)“快”,表头指示响应时间常数为125ms,一般用于测量波动较大的不稳态噪声和交通噪声等。快挡接近人耳对声音的反应。

  (3)“脉冲或脉冲保持”,表头指示响应时间为35ms,用于测量持续时间较长的脉冲噪声,如冲床、锻锤等,测得的数值为最大有效值。

   (4)“峰值保持”,表头指示响应时间为20ms,用于测量持续时间很短的脉冲噪声,如枪、炮和爆炸声,测得的数值是峰值,即最大值。

   声级计可以接滤波器和记录仪,对噪声作频谱分析。在进行频谱分析时,一般不能用计权网络,以免使某些频率的噪声衰减,从而影响对噪声源分析的准确性。

   用声级计测量噪声时容易受环境温度、气压、风速、磁场、背景噪声等因素的影响而产生误差。为了尽量消除系统本身的误差,声级计的校准是重要的措施。

  三、噪声测试的频谱分析

  在噪声测量及控制中,声级计只能测出声级,同一声级的噪声,其频率成分可能不同,若知道它的频率成分,则为寻找噪声源及进行有针对性地噪声控制提供很大方便。为此需要对噪声源进行频率分析,测量声源的噪声频谱,常用的一种方法就是采用频谱分析仪。

  频谱分析仪主要由传声放大器与带通滤波器组成。被测噪声的信号通过一组滤波器将不同频率的分量逐一分离出来,再经过放大器将结果由表头直接读出,或通过记录仪得到频谱图;进行频谱分析所使用的滤波器称为带通滤波器,它的特性是有选择地通过某一窄频范围内信号。允许通过的频带 Δf 越窄,则被测噪声的频率成分的分辨率就越高。带通滤波器通常分为倍频程带通滤波器(即f2/f1 =2)和1/3倍频程带通滤波器(即f2/f1 = 3槡2)。图7.66是带通滤波器的原理图,通过转换开关可以选择不同的中心频率。

   带通滤波器的频带波形的顶部以水平直线最为理想,至少应该相当扁平。由顶部最大值向下降低3dB处的频带范围定义为频带宽度(见图7.67)。

  决定频谱分析仪性能的主要是滤波器。分析噪声时,通常使用具有倍频程滤波器或1/3倍频程滤波器的分析仪。此外,还可以使用外差式频率分析仪和实时频率分析仪。

gooxian-带通滤波器

  (1)具有倍频程和1/3倍频程滤波器的分析仪。倍频程滤波器具有分析速度快、工作点稳定等优点。对于不需要很高的频率分辨率或宽带噪声的情况,倍频程滤波器的分析仪是很适用的,但它在高频范围内工作时,频率分辨率较低,只能得出近似的频谱,因此不宜采用它来处理窄带噪声。

   (2)外差式频率分析仪。需要精确分析噪声的频率成分时,可使用外差式频率分析仪。它是具有恒定带宽滤波器的频率分析仪。其工作原理如图7.68所示。

  

gooxian-外差式频率分析

   机内正弦波发生器发出一个正弦信号,与被测输入信号进入乘法器相乘,在该正弦波信号的频率处形成一个调幅信号,这一信号通过一个固定频率的滤波器进行滤波,然后经过检波器检波输出,最后由指示表指示出某中心频率声音的频带的声压级。通过改变正弦波信号发生器所产生的信号频率,可改变其中心频率,而滤波器的频率则固定不变,这样既能方便有效地覆盖所需要的频率范围,又可以做成无节点而连续可调中心频率的形式。

  (3)实时频率分析仪。为了加速分析过程,对瞬态信号进行实时分析,可使用实时频率分析仪。实时频率分析仪有两种型式,即并联滤波型实时分析仪和时间压缩型实时分析仪。并联滤波型实时分析仪的工作原理如图7.69所示。

  

gooxian-并联滤波型实时分析仪的工作原理图

      输入信号送入前置放大器,前置放大器与一组并联的带通滤波器连接,每一个滤波器紧连接着一个均方根检波器、积分器与存储器。通过逻辑电路和电子开关依次将每个通道与显示器接通,在显示器上显示出每个通道的输出幅值。一般在20ms内就能将所有的通道扫描一次,显示器也随即显示一次数据。

    并联滤波型实时分析仪不适用于窄带分析,因为在分析仪中设置大量的滤波器是不易实现的。根据时间压缩原理制成的时间压缩型实时分析仪可以用于窄带实时分析。时间压缩型实时分析仪的工作原理如图7.70所示。

     输入信号送人抗频混滤波器,抗频混滤波器是低通滤波器,其作用是限制不需要的高频成分通过,以减小信号数字化时的采样频率,节省处理时间。然后送到模数转换器,在模数转换器中,一般以3倍于所选上限频率的采样频率采样,将滤波器输出信号数字化,并将其存入重循环存储器,接着以比存入时大得多的速度(大数百倍)取出数字化信号,并且再经过数模转换器将其转换为模拟信号,此时信号已经被“压缩”了。最后将信号送入外差式分析仪,就可以得到所需要的频谱。

   (4)电平记录仪。在分析机械设备噪声时,经常需要使用电平记录仪把信号的频谱记录下来;若要把现场的测量结果拿到实验室里进一步分析,还可以使用存储设备把现场的机械设备的噪声记录在存储介质上,然后在实验室里重放,进行频率分析和模拟实验。因此,电平记录仪和存储设备是噪声测量中最常用的仪器。电平记录仪不仅可以作声音的频谱分析的记录,而且可以记录随时间变化的噪声。图7.71所示为电平记录仪记录的交通噪声的声级随时间而变化的情况。

   

gooxian-电平记录仪

   四、家用电器的噪声测量

   电冰箱、洗衣机、电扇、吸尘器等家用电器的普及,给人民生活带来了许多方便,但是家用电器噪声也跟着带进了厂房和家庭。为厂商评价、比较和降低家用电器的噪声,首先应科学地测量家用电器噪声的特性。国家标准 GB4214规定了适用于各类家用电器在稳定运行时测量其辐射噪声的通用方法。

  主要测量项目为 A 声级,如有需要可以测量倍频带或1/3倍频带声级和噪声源的方向性指数。本方法要求背景噪声和频带声压级比实测频带声级或 A声级低10dB以上;否则必须对测量值进行修正。并规定在自由声场或半自由声场或混响声场条件下,背景噪声必须低于实测噪声6dB以上才有效。测量要求使用符合国家标准的 Ⅰ 型或性能不低于 Ⅰ 型的声级计,需要频率分析时,可采用倍频程或1/3倍频程滤波器。

  待测家用电器的安装应满足以下两种条件规定:

  (1)在自由场(包括半自由场)条件下(自由场即声音可向任何方向无反射地自由传播的区域)。对于立式、柜式、台式等家用电器,一般安放在测试场所地面的几何中心处;对于手提式,悬吊式等家用电器,一般用弹性支架将设备悬吊起来或用紧固装置固定,被测设备的最低部分离地面的距离不得小于1.3m。

  (2)在混响场条件下(混响场即能对稳定声音形成多次反射叠加的声场)。一般将被测设备安放在地面上,待测设备的表面距离各墙面不得小于1m。

   测量时,待测设备应在额定状态下稳定运行,如果在设备额定负荷下进行噪声测量有困难,则可以在空负荷下测量设备噪声。若设备运行状态较多,则应在辐射噪声最强的运行状态下进行测量。

   在自由 场 条 件 下,需 要 确 定 基 准 体 和 测 量面,测量面采用球体面;半自由场,测量面可选用矩形体表面或半球面。

   一般体积较大,形状为矩形的各类家用电器如洗衣机、电冰箱等采用矩形体测量面,测点取9个,    ,测量面的面积为S =4(ab+ac+bc)(m

   对于体积较小(基准体的长、宽、高分别小于0.7m),形状为圆形或扁形的放置在地板或台上的各类家用电器,如台扇,应采用半球测量面。半球测量面一般规定10个测点,测量面的面积为S =2πr(m)。

   各类悬吊式、支架式、手提式的家用电器、如吊扇、落地扇、吹风扇、电剃刀等应在自由声场中采用球体测量面,测点一般为8个,其分布如图7.72所示。

gooxian-球体测量面上的测点分布

   图中r为球面半径,一般取r=1m。测量面的面积为S =4πr(m)。

  五、飞机噪声测量

   飞机噪声测量分为飞机向外辐射噪声测量与机舱内噪声测量,分别用来评价对地面环境的干扰与对乘客和空勤人员的影响程度。

   1.飞行中飞机向外辐射噪声的测量

   飞机飞行,尤其在起飞和降落过程中产生的强烈啸叫噪声,对地面环境的骚扰十分严重。飞机向外辐射的噪声与其他环境噪声也不同,其频谱特性在人耳敏感的高频区特别突出,并含有明显纯音成分。所以评价飞机飞行噪声采用一种与人耳主观响应相适应的专用评价量 ——— 感觉噪声级LpN (dB)和纯音修正感觉噪声级LpTN (dB)。另外由于飞行中的飞机转瞬即逝,LpN和LpTN 是随时间变化的,为此,又推荐了有效感觉噪声级LpEN (dB)作为评价单一飞机飞行噪声的声学量,LpEN 实质上是LpTN 或LpN 的时间计权声级。

   测量飞行中飞机向外辐射噪声的方法有两种:一种是精密测量飞行噪声频谱时间过程的方法;另一种是测量飞行噪声计权声级时间过程的方法。

   (1)飞行中飞机噪声频谱时间特性的测量。测量飞机飞行噪声至少需要一台精密声级计和一台高性能测试磁带记录仪。如果测量现场有由精密声级计、1/3倍频程实时分析仪和自动取样间隔小于或等于0.5s的采样设备及专用数据处理设备组成的测量分析系统,则更为理想。

   为避免声反射引起测量误差,声级计最好通过电缆与传声器相连,传声器置于测点上,传声器的膜片应在飞机标称飞行路线和测量点所形成的平面上,即飞机噪声应掠过而射到传声器上。测量点在飞行航道的投影下,距离地面高1.2m 处。

   测量场地必须是开阔、平坦、坚硬的混凝土地面,地面上不得覆盖具有吸声的物质(如草皮、雪等)。以测量点在地面上的垂直投影为顶点,通过顶点的垂直于地面的直线为轴,向上形成一个立体角等于160°的圆锥,在这个圆锥形的空间内,除了测量仪器和待测飞机外,不能出现其他障碍物。测量点位置如图 7.73所示。

gooxian-飞机噪声的地面测量点布置

  测量时的气候条件是无雨,地面上10m高处风速小于5m/s,相对湿度小于20% 时大气温度不低于5℃,对于中心频率为8000Hz的1/3倍频带噪声,在大气中的衰减不能大于0.1dB/m。

  测量时的背景噪声(其他飞机噪声或工业噪声)至少要低于被测飞机噪声级20dB以上。

  测量并分析飞机飞越上空时,飞机噪声的1/3倍频带瞬时谱的时间过程,或连续抽取1/3倍频带噪声谱,取样间隔等于或小于0.5s。或通过声级计的线性输出,将飞机飞行噪声的全过程记录在数据存储设备上,然后再进行重放,并分析持续时间间隔(Δt≤0.5s)的1/3倍频带噪声谱。

   上述测量数据按一定的程序进行分析计算,可以得到任意一个时间间隔内的LpN 和LpTN以及飞机飞越过程的有效感觉噪声级LpEN 。

   (2)飞行中飞机计权声级时间过程的测量。如果上面讨论的飞行噪声的测量为精密方法,则这里讨论的方法可以称之为一种飞行噪声的近似测量方法。

   测量仪器为具有0计数网络的精密声级计,另外配合使用能记录时间过程的声级记录仪或数据 D存储设备。

  测量飞机飞越上空时,在地面观测点获得的D声级和 A 声级的时间过程,通过测量和计算可以得到一架飞机飞行的近似感觉噪声级。

  测量点位置、测量条件与“飞行中飞机噪声频谱时间特性测量”中相应内容一样。

  从记录到的 D声级变化过程,可以求出最大D声级LDmax,如图7.74所示

QQ截图20171219134434

   近似最大感觉噪声级可按下式计算:

   LpNmax =LDmax +7

   近似有效感觉噪声级可按下式计算:

  

gooxian-噪声

   在飞机飞行噪声测量前和测量过程中,应对所有测量条件和测量数据详细记录,其中包括大气条件(风速、风向)、局部地形状况,地面覆盖物和可能干扰测量的障碍物等;飞机轮廓、飞行方法和工作条件,以及在有关的时间间隔上飞机的位置。

   2.飞机舱内的噪声测量

   飞机舱内的噪声测量是测量飞机在飞行中机舱内的噪声及其分布,用来评价来自机舱内外的噪声对乘客和空勤人员的影响程度。

   测量分为典型测量和监视测量。对于典型测量,需要测量 A 声级和1/3倍频带声压级。对于监视测量,需要测量A声级和倍频带声压级。频带声压级的频率范围至少为45~11200Hz。

   测量使用精密声级计和倍频程或1/3倍频程滤波器,使用声级计的“慢”特性。

   飞机舱内噪声测量,应在规定的高度和航行条件下,保持平直飞行状态,以及在稳定爬升和下降等飞行状态下分别进行。飞机飞过湍流和云雨层区域时不宜进行测量。

   飞机舱内设备应保持齐全,座椅的靠背尽可能保持直立位置,机上增压和空调设备应正常稳定开动,舱内乘客用的单人吹风口全应关闭,此外还应停止机上公共播音。

   在空勤舱,空勤人员应在各自的工作岗位上,在客舱只需要保留噪声测量工作人员,而且,在距传声器1m 范围内不得出现站立或坐着的人。

   由于机舱内噪声随位置不同起伏较大,因此应当选择足够的测量点,以较全面地测量舱内噪声分布。测量要分布在整个客舱,并包括每一个乘务员的工作位置,任意一个测量点距离舱室壁面、装饰品和行李等物体不得小于0.15m,机内噪声测量点的准确位置应绘图标出。测点具体选位按以下规定进行:

   空勤舱内测量点应选在距乘务员(包括驾驶员)人耳0.1m 以内的空间;也应选在距离乘务员谈话或录音设备的传声器0.1m以内的空间。对于座位,测量点应距无人坐下时座垫表面0.65±0.005m;对于站位,测量点应距地面1.65±0.1m 高。

  客舱测量 点 应 选 在 座 位 中 心 线 离 头 部 靠 垫 0.15±0.2 m,距无人坐下时座垫表面0.65±0.05m 处。

  运载动物的货舱,若测量噪声,测量点应在动物存放区选取。

   测量时,传声器应垂直向上分别固定在一个测点上。对于每种测量条件下的每一个测量点,至少取5s观测时间,在观测时间内取3个读数,取其平均值并近似为整数作为测量结果。除了测量数据以外,还应记录:飞机高度,飞行速度或马赫数,飞机发动机工作情况,机外大气温度,舱内压力的变化和舱内温度,舱内设备的工作状态,起落架的位置,襟翼、扰流板和其他影响机内噪声的控制气流面板的位置,以及开关座舱罩、窗、门、制动闸等能影响空气动力性噪声产生装置的位置。

  

  

  

  

 

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