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聲音測量的定義和典型應用

  • 發(fā)布時(shí)間:2024-07-04 09:27:51

一、什么是聲音測量?

聲音測量是聲學(xué)測量的一種。聲學(xué)測量是研究聲學(xué)測量技術(shù)的科學(xué),包括測量方法和測量?jì)x器?;镜穆晫W(xué)測量包括聲強測量、聲質(zhì)點(diǎn)速度測量、波長(cháng)測量、加速度測量、傳聲器和水聽(tīng)器絕對校準、通信系統檢測、語(yǔ)言可懂度測試、聽(tīng)力測量、聲波分析、電聲儀器性能評價(jià)、房間音質(zhì)測量等。

聲音測量被定義為使用聲音測量設備測量聲壓級的過(guò)程,最典型是聲強測量。以下為聲音測量的典型量值:

? A加權聲壓級(SPL或Lp);

? 時(shí)間加權聲壓級(LAF或LAS);

? 聲音暴露水平(LAE):噪聲劑量;

? 時(shí)間平均聲級 ( LAeq ):A計權等效連續聲級。

二、什么是聲壓級Lp?

聲壓級,英文全稱(chēng)為Sound Pressure Level,簡(jiǎn)稱(chēng)SPL,是聲音測量最常用的物理量,以分貝刻度dB 表示的聲量,用于量化聲音強度的對數尺度,表示產(chǎn)生聲音的氣壓變化。由于分貝對數標度,聲音測量結果常稱(chēng)為聲壓級;表示的是聲壓的有效值與參考聲壓的比值取對數后乘以20的結果(具體公式詳見(jiàn)“聲學(xué)定義和音高單位”一文)。

聲壓級的設計是為了解決聲強絕對值相差極大(從可以聽(tīng)到的最小聲音到引起痛覺(jué)的聲音)的問(wèn)題,使得聲音的強度可以用一個(gè)相對較小的數值范圍來(lái)表示。人耳能夠接受的聲壓級范圍為0~+120dB,其中不同級別的聲壓級對應著(zhù)不同的聽(tīng)覺(jué)感受和影響。例如:人類(lèi)可檢測到的最小大氣壓力變化是0dB(20uPa聽(tīng)力閾值),40dB開(kāi)始影響睡眠,85dB是保護聽(tīng)力的標準,而90~120dB則可能造成不可逆的聽(tīng)覺(jué)器官損傷,130dB疼痛閾值處(約100Pa),140dB聽(tīng)力損傷閾值處。

三、什么是聲強級LI?

聲強級,英文全稱(chēng)為Sound Intensity Level,簡(jiǎn)稱(chēng)SIL,是聲音強度測量的另一物理量,也以分貝dB 表示的聲音壓力水平;聲強與參考聲強的比值取常用對數后乘以10(具體公式詳見(jiàn)“聲學(xué)定義和音高單位”一文)。

聲壓級與聲強級之間可以通過(guò)聲壓的平方與聲強的正比關(guān)系進(jìn)行換算。

四、聲壓級和頻率分析(頻譜)

聲壓級是寬頻帶聲壓級,即單一聲壓級值,這個(gè)值計算用到了各個(gè)頻率(一般20Hz~20kHz)的分量。真實(shí)的聲音信號是可變的,并結合了許多組合的信號,由許多頻率成分組成,這就需要分析聲音信號的頻率成分,尤其在噪聲測量中,對噪聲的頻譜分析尤其重要。聲音測量?jì)x器一般使用1/1倍頻程或1/3倍頻程(Octave Band)濾波器,進(jìn)行實(shí)時(shí)頻率分析,來(lái)評估信號中低頻和高頻的內容,這種分析的輸出稱(chēng)為頻譜,它表示連續頻率范圍內的噪聲,稱(chēng)為八度音程或第三八度音程,所以此類(lèi)聲音測量?jì)x器專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)為八音度實(shí)時(shí)音頻分析儀。

五、聲音測量典型產(chǎn)品:聲級計

聲級計英文全稱(chēng)為Sound Level Meter,也稱(chēng)為聲壓計、音量計,是最基本的聲學(xué)測量?jì)x器,最基本功能是測量聲壓級(Lp),對于很多功能單一的聲級計,人們也習慣稱(chēng)為分貝儀或噪音計等。聲級計是一種配備麥克風(fēng)的電子設備,可檢測氣壓變化并將其轉換為電信號,然后將電信號轉換為數字信號,以便在顯示器上顯示或記錄在儀表存儲器中。

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聲級計核心部件是測量麥克風(fēng),也為傳聲器或話(huà)筒,它將聲波造成的氣壓變化,也就是聲壓,轉換為電壓。其前端傳感器俗稱(chēng)咪頭,根據原理,主要有晶體式、駐極體式、動(dòng)圈式和電容式等四種,其中電容式的精度最高。

聲級計主機負責信號處理,結果顯示,同時(shí)提供交互界面、數據傳輸、存儲、供電等附屬功能。前端麥克風(fēng)輸入主機是不斷變化的交流信號,通過(guò)均方根電路轉換為直流電平后再經(jīng)對數電路處理并輸出到屏幕,成為可讀的分貝值(dB)。

為了模擬人耳聽(tīng)覺(jué)在不同頻率有不同的靈敏性,聲級計內設有一種能夠模擬人耳的聽(tīng)覺(jué)特性,把電信號修正為與聽(tīng)感近似值的網(wǎng)絡(luò ),這種網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為計權網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)計權網(wǎng)絡(luò )測得的聲壓級,已不再是客觀(guān)物理量的聲壓級(線(xiàn)性聲壓級),而是經(jīng)過(guò)聽(tīng)感修正的聲壓級,成為計權聲級或噪聲級。

計權又稱(chēng)加權,聲級計一般有兩種計權:頻率計權和時(shí)間計權。

5.1、頻率計權

頻率計權跟人耳的聽(tīng)覺(jué)系統有關(guān),目的是將電信號修正為與人耳聽(tīng)感相近的數值,根據所使用的計權網(wǎng)不同,分別稱(chēng)為A聲級、C聲級和Z聲級,表示某些頻率的值被應用了對應的計權或濾波。

其中,A計權基于40dB等響曲線(xiàn),是應用最多的頻率計權,實(shí)際聲學(xué)聲音比人耳聽(tīng)覺(jué)包含更多的高頻與低頻內容。如果一個(gè)聲音要在整個(gè)頻帶上以均等的聲壓呈現,則適用Z計權(不計權)。C計權基于100dB等響曲線(xiàn),代表的是當聲音調高以后,人們開(kāi)始對低頻也更為敏感的情況。

使用頻率計權的基本原則:當進(jìn)行音頻測量以及不需要考慮人耳聽(tīng)感的聲學(xué)測量時(shí),使用Z計權。100dB以下的聲學(xué)測量適用A計權,超出100dB時(shí)適用C計權。在聲級計測量結果顯示dB(C)或dBC聲壓級單位時(shí),表示采用了C計權。

5.2、時(shí)間計權

時(shí)間計權是讓聲級計上測得的數值更容易顯示,使快速變化的數值變得穩定,顯示出的結果方便讀取。例如:測量麥克風(fēng)的采樣率為20kHz,想象一下你的屏幕上每秒鐘閃過(guò)2萬(wàn)個(gè)數據, 這對人來(lái)說(shuō)是毫無(wú)意義的;這時(shí)采用時(shí)間計權,可對這種突發(fā)的變化做出抑制,讓聲級計輸出更加穩定讀數。

聲級計采用的時(shí)間計權一般有四種:等效平均(eq)、快速(F)、慢速(S)、脈沖(I)。

其中,等效連續聲級(Leq)是最常用的聲量,是一段時(shí)間內接收聲音能量的均值,它與信號的能量含量有直接關(guān)系,用于評估對人類(lèi)聽(tīng)力的危險程度。脈沖時(shí)間計權(I),用于分析短促的脈沖聲??焖儆嫏囗憫嚷儆嫏嗫?,例如:在安靜的環(huán)境,一個(gè)很響且持續的聲音被突然打開(kāi),F計權顯示的聲壓級大約需要0.6s即可刷新為新聲壓級,而S計權做出反應則需要在約5s之后。

5.3、聲級計精度

根據國際標準(IEC61672-1)和國家標準(GB/T 3785.1和JJG188),聲級計按精度可分為1級聲級計(一型)和2級聲級計(二型),主要區別在頻率響應、工作溫度范圍、最大允許誤差等,譬如二級聲級計的工作溫度范圍為0℃~+40℃、一級為-10℃~+50℃,1級聲級計精度高于2級聲級計。

六、聲音測量的典型應用

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活水平的提高,噪聲普查和環(huán)境保護工作已全面開(kāi)展,機器制造行業(yè)也把噪聲作為產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標之一,禮堂和體育館等建筑物不僅僅要求造型美觀(guān),也追求音響效果,這些都使得聲音測量越來(lái)越廣泛?,F在聲音測量不僅應用在聲學(xué)和電聲學(xué)測量中,而且已經(jīng)廣泛應用于機器制造、建筑設計、交通運輸、環(huán)境保護、醫療衛生以及國防工程等各個(gè)領(lǐng)域。

6.1 典型應用1:環(huán)境噪聲

環(huán)境噪音(聲)定義為環(huán)境中不需要的聲音,會(huì )干擾正?;顒?dòng),如睡眠、交談或注意力,并導致負面的健康影響,從環(huán)保的角度出發(fā),稱(chēng)為噪音污染,與廢水、廢氣、廢渣一起,被稱(chēng)為“四大公害”。通常情況下,使用2級聲級計就能滿(mǎn)足測量環(huán)境噪聲。當噪聲A聲級低于35dB時(shí),就需要使用1級聲級計。當需要測低頻噪聲時(shí)(例如:噪聲敏感建筑物測量室內噪聲),需要中心頻率為31.5Hz、63Hz、125Hz、250Hz、500Hz的倍頻帶聲壓級。

6.2 典型應用2:職業(yè)噪聲測量

職業(yè)噪聲是工作場(chǎng)所接觸噪聲,尤其噪聲大的生產(chǎn)性噪聲場(chǎng)合,勞動(dòng)者在工作中,由于長(cháng)期接觸噪聲會(huì )發(fā)生一種漸進(jìn)性的感音性聽(tīng)覺(jué)損害。工業(yè)噪聲對在其工作區內的工作人員損害很大,所以全世界對相關(guān)職業(yè)人員的噪聲衛生標準進(jìn)行了規定:美國OSHA 1910.95確定職業(yè)噪聲暴露、歐盟使用ISO9612噪聲指令、中國使用GBZ2.2-2007標準。根據國標職業(yè)衛生噪聲測量方法,聲級計需要有A、C計權和峰值測量(Peak),這就要求使用2級聲級計或2級以上的聲級計、積分聲級計、噪音劑量計、或個(gè)人聲暴露計等儀器。職業(yè)噪聲測量關(guān)鍵指標如下:

每日噪音暴露水平(Lex):一個(gè)工作日8小時(shí)內測量。測量的每日噪聲暴露水平也可以表示為每日允許的噪聲暴露限值的百分比,這種結果稱(chēng)為噪聲劑量。評估噪聲最流行的方法是使用稱(chēng)為噪聲劑量計的可穿戴聲級計進(jìn)行8小時(shí)測量。通過(guò)這種方式,可以獲得超過(guò)8小時(shí)的聲音暴露總量并將其轉換為噪聲劑量。

8小時(shí)暴露水平(Lex8h):是在工作時(shí)間內測量的Laeq 8小時(shí)外推,即噪聲暴露顯示為外推至8小時(shí)的分貝水平。如果測量持續少于8小時(shí),例如6小時(shí),則計算是外推的,并且它被計算為好像它已持續了8小時(shí)。

峰值噪音暴露水平(Lcpeak):在工作時(shí)間內測量的最大C計權聲壓級,根據歐盟噪聲指令測量Lcpeak ,相應的限值為140、137和135dB(C)。

6.3 典型應用3:建筑聲學(xué)測量

建筑聲學(xué)涉及建筑物居住者的聲學(xué)舒適度。大多數建筑聲學(xué)測量都是按照 ISO 16283 進(jìn)行,其定義了建筑隔音測量程序:相鄰并屬于不同住宅單元的兩個(gè)空間的空氣隔音,與外部噪音相比通過(guò)外墻的空氣隔音和地板的沖擊隔音隔聲。測量?jì)热莅晧杭墱y量、背景噪聲測量測量、混響時(shí)間測量、隔聲量等,所以用聲級計測量聲壓級、背景噪聲大小非常重要。

6.4 典型應用4:NVH測量

在汽車(chē)、火車(chē)等交通工具,需要進(jìn)行NVH測量,已判斷這些交通工具的舒適度。NVH是指Noise(噪聲)、Vibration(振動(dòng))和Harshness(聲振粗糙度),NVH測量核心是對機器進(jìn)行狀態(tài)監測和結構健康監測,主要包括5個(gè)方面:噪音測量、振動(dòng)測試、響應頻譜分析、聲學(xué)反射測試、結構模態(tài)分析。所以使用聲級計進(jìn)行噪音測量很重要,有些聲級計,例如:OIAWA5936通過(guò)配置不同的傳感器,還可同步進(jìn)行加速度、速度、位移三種振動(dòng)量的振動(dòng)測試。

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此外,聲音測量使用的領(lǐng)域還很廣,例如:樂(lè )器電聲測量、機器設備故障診斷、聲品質(zhì)分析、音頻測試等。

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