关于声学测量介绍

[拼音]：shengxue celiang

[外文]：acoustical measurement

研究声学测量技术的科学。

历史

17世纪初就有人尝试测量空气中的声速。直到18世纪声学测量只是在测量声速方面做了一些工作，19世纪中虽在空气中声速的测定、调音频率的确定、质点速度的测定和音色的观察等方面取得了进展，但还属起步阶段，真正的声学测量工作是在20世纪初由于电学线路和无线电技术的发展而开始发展的。先发明了用瑞利盘测定平面行波中的质点速度，从而建立了声压的测量，用光干涉法测量声强等一些测量方法。后又发明了热致发声器等标准声源，特别是电容传声器和互易校准的发明，室内自由声场──消声室的建立，以及各种声学测试仪器如声级计、声分析仪等的问世，使声学测量进入了新阶段，到60年代，已发展得比较完善，基本上解决了各声学量的测量，建立了空气中和水中的声压基准及有关的标准测量方法。近年来声强和声功率的测量有了新发展，声学测量正在实现自动化，带微处理机的声学测量仪器也已出现，这表明声学测量已迈进现代声学的行列。

声学中的基本量

在声学中，或描述一声源及其产生的声场的特性，或在某些声学现象、效应中起主导作用的一些量，为声学中的基本量。表1所列为这些基本量及其相互关系。在前四个量中，声压是最容易测量的，而且可以量得很准确，另三个量又能由声压导出，因此，过去一直误认为只有声压才是声学中的基本量。实际上，当声场不是自由场时，其他三个量与声压间不存在一个简单的关系，另外有不少声学效应（例如超声效应）并不直接只与声压有关，而与声能量或声强等有关。对某一声学问题选用哪个基本量来描述应视具体情况而定，因此所有这些声学量在声学测量中都是很重要的。

声压级

在实际生活中，声音强度的变化范围很大，从人耳刚能听到的声音(约 20μPa)至震耳的噪声 (约几百帕)可差107倍。而且人对声音强弱的感觉并不与声压成比例，而是与其对数值成比例。为了便于表示起见，使用声压级Lp这个量，它是某声压值p与基准声压p0之比的常用对数乘以20，其单位为分贝(dB)，即

Lp＝20lg(p/p0)，基准声压在空气中为 20μPa，水中为1μPa。对于一个声压值，不同的基准值给出的声压级是不同的，故在讲声压级的同时一定要说明所用的基准声压值。人们实际感觉到的或要处理的声音大部分不是纯音，而是具有频谱特性的噪声，对于这类声则常用某一有限频带中声能的有效声压级来表示，称为频带声压级。最常用的频带宽度有倍频程和倍频程带宽。当评价机器或设备产生的稳态或非稳态噪声时，一般用A计权声压级（简称A声级），也可用B或C声级，这是用A或B、C频率计权网络测得的有效声压级，A、B、C频率计权特性分别是响度级40、70、100方等响线的反曲线，测量这类声级的专用仪器为声级计。由多声源组成的、能量分布随时间变化的如环境、交通等这类噪声，则用累积百分声级和等效声级来表示，累积百分声级 是在规定时间T内有N％时间的声级所超过的那个A声级，等效声级是某规定时间T内A声级的能量平均值。当评价飞机噪声时则用感觉噪声级，这是以40dB等噪线的反曲线为频率计权测得的声级，也称作 D声级。常用的声级还有平均声级、评价声级、暴露声级等等。总之对某种类型的声和噪声，应使用能表征其特性的某种声级来表示，这是必须注意的；若不加任何说明，只说声级，则一般应理解为是指A声级。声强、声功率以及其他声学量用级表示时，与声压级相同。表2所列为常用声级的名称、符号和单位。

传声器和水听器校准

传声器和水听器是在空气和水中测量声压的电声接收换能器，表示其特性的主要参量为接收灵敏度，这是它的输出开路电压与其接收的声压的比值。当接收声压为作用于接收面上的平均声压时，此接收灵敏度为声压灵敏度。接收声压为传声器或水听器的位置处当传声器或水听器不存在时声场的声压，则接收灵敏度为声场灵敏度，声场为自由场时，为自由场灵敏度，声场为扩散场时，为无规入射灵敏度。传声器和水听器校准就是确定其接收灵敏度值。根据灵敏度的不同，校准方法也分成两类，即声压校准和声场校准。上述的三种灵敏度不是彼此无关的，而有着一定的联系。自由场灵敏度M与声压灵敏度Mp的关系为:M＝DMp，此处D为衍射常数，与传声器或水听器的形状、大小和频率等有关。自由场灵敏度M与无规入射灵敏度Md的联系为M=Rθ½Md，其中Rθ为指向性因数，也是与换能器形状、大小和频率有关的常数，当ka1 时，常数D＝Rθ＝1，即在低频时M＝Mp＝Md，这样就可以在低频时用声压校准的方法获得自由场灵敏度值。在实际中自由场灵敏?仁亲钣杏玫模剐Ｗ急冉戏奖闱易既范雀摺１?3中列出了校准传声器和水听器常用的方法。

活塞发声器是利用一已知振动频率和位移的往复活塞，在一刚性密闭腔内产生可以计算的声压，以校准传声器。若在密闭腔内充以液体媒质，则可用于校准水听器。静电激励器主要是一栅状的辅助电极，它将已知静电力加到传声器膜片（金属的或涂以金属的）上，以校准传声器，此方法特别适用于测量电容传声器声压灵敏度的频响特性。振动液柱法和密闭腔补偿法是两种被国际电工委员会 (IEC)列作校准水听器声压灵敏度的标准方法。前者是一个充以液体的圆筒状的开口容器，在激振器驱动下，容器内的液柱随容器作整体垂直振动，从而在液柱中获得一已知声压以校准水听器；后者是用一能产生已知声压的补偿换能器，补偿并由此确定声源在密闭腔中产生的声压来校准水听器，根据补偿换能器的结构形式不同，又分为电动补偿法和压电补偿法。

声学测试环境

在声学测量中需要有一个符合测量要求的测试环境，才能得到预期的结果。测试环境的声学性能的好坏直接与测量准确度有关，故选择或建立一个符合要求的测试环境是声学测量中一个十分重要的问题，最常用的声学测试环境为自由场和扩散场。

通常的声学测量都要求在自由场中进行，这是均匀各向同性媒质中边界影响可以不计的声场。它可以是人工建造的室内自由场如消声室，在水中则为消声水池或水槽；也可利用合适的自然环境以获得室外自由场。

消声室虽能得到接近理想的自由场条件，但造价昂贵，一般难以建造。利用自然环境条件来获得自由场是一个实用和有效的方法。实际上一个具有足够大的空间的广场或田野，当将声源和传声器置于离地面足够高的地方如铁塔上或悬挂于空中时，就能得到很好的自由场测试条件。同样，像湖泊、海湾、港口、水库等天然水域，只要有足够大的开阔度和深度，都可用作自由场。在这类室外自由场中测试时，应当注意气象条件对测试结果的影响。

在有限空间测试电声器件或换能器声学性能时，还可用脉冲声技术，在时间上将来自边界的反射声与直达声分开，以获得自由场条件。这种脉冲声技术在水声测量中用得很普遍。

半消声室或一个反射面上方的自由场，是近年来被广泛使用的一种声学测试条件。当声源或传声器置于其中具有反射特性的地面上时，则在其上方的半空间中就能获得如上所述的自由场条件。

这是能量密度均匀，在各个传播方向作无规分布的声场。符合此要求的实验室称为混响室。

声强测量

在声频范围内，测量声强以往一直是通过测量自由场平面波条件的声压及用其与声强的关系计算得到，对于其他声场条件下的声强则无法测量。在过去虽曾先后发明过一些企图直接测量声强的方法，但均因缺乏实用价值而未被采用。70年代以来，由于数字技术和微处理机应用的发展，一些能直接测量声强的实用的仪器设备，如声强计、实时声强分析仪等已陆续问世（见声强仪）。用这些仪器测量声场中某点声强的原理是，通过测量该点附近相邻两点的声压，以其声压和之半即平均声压近似地表示该点的声压，声压差即声压梯度近似地表示该点的质点速度，再求其乘积和对时期求平均。此方法的主要误差来源是上述二近似表示造成的，此与两点的间距Δr 和圆波数k 有关。 例如用两个直径12mm的传声器组成的声强测量探头，当其间隔Δr＝6mm时，其测量误差在频率高于10kHz或低于400Hz时，将大于 1dB。这说明这种声强测量仪器不适用于超声声强的测量。

对于液体中超声声强的测量，常用的方法有量热法和光学法等。

量热法的测量原理是用易吸收声能的固体材料如石蜡等制成的小球作为声强测量探针的敏感元件，当将它置于声场中时，小球吸收的声能转化为热，使其温度升高，用热敏电阻或温差电偶等器件测出其温度变化而得到声强。由于敏感元件、测温器件等的灵敏度低及稳定性差，适宜于测量较大的声强值，另外此法测得的是一定时间内的平均声强。

光学法是利用超声光致衍射现象以测量透明液体媒质中的平均声强。有声波存在时，媒质的密度ρ 在空间形成周期性变化，构成一相位光栅，当光线与声波垂直相交时，就产生光衍射现象，此时超声声强I与光衍射条纹变化有如下关系

式中Λ 为光波波长，с为液体中的声速，Л为光波通过声场的深度，a为贝塞耳函数Jm(a)＝0的根(a＝2πΔrl/Λ)。用此法只能测量 1～10kW/m2（即0.1～1W/cm2）左右或更大的声强。

目前还有用光全息术测量由声辐射压力使自由液面隆起的程度以确定超声声强，此法测量声强的范围约为3～3000W/m2（即0.3～300W/cm2）。

声功率测量

声源的声功率W的测量，一般在自由场中进行，通过测量包络声源的封闭曲面S上的声强I，由公式计算得到。为了测量和计算的方便，实际上此测量表面S常取作以声源为中心的球面，或其他具有一定对称性的，如矩形六面体等测量表面，并将积分简化成求和的形式，即把测量表面分成几个小面积ΔSj，测得此小面积上的平均声压 pj，就得到声源的声功率：。在半自由空间中测量时，除测量表面应取成半球面外，其他做法与上述的相同。

声源的声功率也可在扩散场 (如空气中的混响室或水中的混响水池)中测量，此时其声功率为:此处捖为混响室中声源产生的均方声压，A为混响室的吸声量，ρс为媒质的特性声阻抗。看来此法要比自由场法简单而方便，对一混响室来讲，A、ρс均为常数，故只要测量混响室中几处的声压，以求得捖就能得到声功率值。

国际标准化组织 (ISO)近年来制定了在各种声学测试环境（如消声室、混响室、反射平面上的自由场等）下，以不同准确度(精密、工程、简易等)要求，测定空气中噪声源声功率级方法的一系列国际标准(ISO3740～3746)。用这些方法，可以测定倍频带、倍频带和A声功率级，测量准确度从0.5～5dB。

噪声源声功率级的测定，还可用与标准噪声源比较的方法得到。标准噪声源是一个已用标准方法测定声功率级的标准声源，它能在大于100Hz～10kHz的频率范围内产生宽带稳定噪声，在此频段内，各倍频带声功率级间的偏差应小于±3dB。标准噪声源有电动式、风扇式和打击式等几种结构。

上述测量方法与声强测量相同，一般只适用于声频范围。对于超声频范围的超声声功率的测量，常用的有声辐射压力法、量热法和光衍射法等数种。

声辐射压力法是用声辐射计来测定超声功率，测量范围能从几微瓦到几十瓦。

量热法是利用液体吸收超声源辐射的声能转化为热，测量液体上升的温度来确定超声声功率。一般有三种方法：

（1）瞬时法，即直接测量液体吸收声能引起的温度升高值；

（2）稳流法，使液体稳速流动，测量流进和流出液体的温度差；

（3）置换法，用电加热液体使产生和吸收超声声能同样的效果，由加热的电功率来确定声功率。这三种方法中，一般说来置换法最好，因其可不必测定系统的热容量及严格的保温装置。

光衍射法测定超声声功率，就是用测量声强的光学法测出其平均声强，再乘以超声束的面积。

声速和声吸收的测量

见声速和声吸收。

参考书目

1. L.L.Beranek，Acoustical Measurement，John Wiley & Sons， New York，1956.
2. R.鲍伯著，郑士杰译：《水下电声测量》，国防工业出版社，北京，1977。(R. J. Bobber， Underwater Electroacoustic Measurement， U. S. Government Printing Office，Washington，1970.)