1、声学测量3.1传声器3.2声级计3.3声强测量系统3.4数字式声学仪器3.5声学设施第3章 声学仪器与声学设施3.1传声器3.1.1传声器的分类及工作原理3.1.2测量传声器及其主要性能参数3.1.3测量传声器等效电路3.1.4测量传声器的选择3.1.5测量传声器的校准3.1.6测量传声器的附件3.1.1传声器的分类及工作原理1.动圈式传声器2.电容式传声器3.驻极体电容式3.1.1传声器的分类及工作原理传声器传声器的分类方法有多种。若按换能方式分类，可分为电动式、电容式和压电式等。按接收方式可分为压强式、压差式、复合式等。若按传声方式分类，可分为有线传声器和无线传声器两类。若按指向特性分类，
2、可分为无指向性、双指向性和单指向性(包括心形和钳形)三类。若按声波接收原理分类，可分为声压式和压差式两类。图3.1.1动圈式传声器的结构示意图1.动圈式传声器2.电容式传声器图3.1.2电容式传声器的结构示意图图3.1.3驻极体电容式传声器结构示意图3.驻极体电容式传声器3.1.2测量传声器及其主要性能参数1.灵敏度2.频率响应3.指向特性4.输出阻抗及输出阻抗特性曲线5.传声器的噪声级6.最大声压级和动态范围7.测量传声器的稳定度1.灵敏度图3.1.41/2电容式传声器自由场校准曲线传声器的灵敏度是指传声器输出电压与该传声器所受声压之比，常以符号M表示，单位为V/Pa(以前曾普遍采用V/ba
3、r)。通常情况下，传声器的灵敏度是指传声器在1kHz频率处接受1Pa声压时，传声器的开路输出电压。灵敏度越高，表示传声器声电转换能力越强。2.频率响应图3.1.5电容式传声器频率响应曲线3.指向特性图3.1.6测量传声器灵敏度指向特性4.输出阻抗及输出阻抗特性曲线从传声器输出端测得的内阻抗的模值即为传声器输出阻抗，简称传声器阻抗。一般测量1kHz时的阻抗值为该传声器的输出阻抗。5.传声器的噪声级(1)等效噪声级当作用在传声器膜片上的声压为零时，传声器仍有输出电压，称这个电压为传声器的固有噪声电压，它是由传声器内部的电路噪声及导线中分子热运动而产生的，这种固有噪声电压，可以看做是由能产生相同输出
4、电压的外部声压级引起的，故称等效噪声级。(2)磁感应噪声级传声器受到交流电磁场的作用时，在其输出端会产生感应噪声电压，即为传声器的磁感应噪声。6.最大声压级和动态范围在强声波的作用下，传声器的输出会产生非线性畸变。当非线性畸变达到3%时的声压级，习惯上规定为传声器能测量的最高声压级。测量传声器能够测量的声压大小，上限受非线性畸变限制，下限受固有噪声限制。因此，最高声压级减去等效噪声级就是测量传声器的动态范围。一般说来，电容式传声器的最高声压级大约分别为：1为150dB，1/2为160dB，1/4为175dB，1/8为180dB。若允许超过3%的谐波畸变，则尚可提高1015dB，接近于传声器膜片
5、破裂的情况。对于驻极体电容式传声器的最高声压级大约为：1为140dB，1/2为145dB，1/4为150dB，若再提高20dB，驻极体就会破裂。7.测量传声器的稳定度温度、湿度、气压等气象条件的变化会影响传声器灵敏度，可以用稳定度来描述这种变化的影响。其中温度的影响比较严重，通常电容式传声器可以在-50150的环境条件下使用，其温度稳定性较好。在35时，其稳定度大约为：短期稳定性，每年0.1dB;长期稳定性，每年小于0.5dB。在-50150时，温度变化1，其灵敏度变化大约为0.008dB。在相对湿度为090%的环境条件下，其灵敏度的变化小于0.5dB；大气静压强的影响大约为-0.003dB/
6、mmHg(1mmHg133.3Pa)。对于驻极体电容式传声器，稳定度较差，在055环境条件下，温度系数大约为每度0.03dB，驻极体电容式传声器在室温条件下放置15个月，其灵敏度变化大约为1dB。3.1.3测量传声器等效电路图3.1.7电容式传声器与其负载相连时的等效电路3.1.3测量传声器等效电路图3.1.8电容式传声器的等效电路表3.1.1国产CH系列电容式传声器参考特性3.1.4测量传声器的选择表3.1.2B&K公司电容式传声器的空载灵敏度3.1.4测量传声器的选择表3.1.3B&K公司电容式传声器的选用3.1.4测量传声器的选择3.1.5测量传声器的校准1.声压灵敏度校准2.自由场灵敏
7、度校准3.活塞发生器校准4.声级校准器的校准5.高声强传声器校准器6.声压灵敏度频率响应的测量7.各种传声器校准方法的比较1.声压灵敏度校准1)将传声器1、2 放入耦合空腔。2)将换能器 3、传声器 2 放入耦合空腔。3)将换能器 3、传声器 1 放入耦合空腔。1.声压灵敏度校准图3.1.9耦合腔互易校准方法示意图2.自由场灵敏度校准1)以辅助的可逆换能器用作声源，送入电流IT，测量放在距离d处作接收用的待校准传声器2的开路电压U2。2)用一个恒定输出的辅助声源3作发射器，将传声器1、2放在该声源产生的声场中相同的点，其距离d应该足够大，以保证通过该点的声波是一平面波，测量出两个传声器的开路电
8、压1和2。2.自由场灵敏度校准图3.1.10自由场灵敏度校准示意图3.活塞发生器校准图3.1.11活塞发声器校准气压修正曲线4.声级校准器的校准声级校准器包括一个性能稳定的频率为1kHz的振荡器和压电元件。使用时，振荡器的输出馈给压电元件，带动膜片振动并在耦合腔内产生1Pa的声压(94dB)。上述系统工作在共振频率，其等效耦合体积约为200cm3，所以产生的声压与传声器等效容积无关。在现场用它来校准传声器，其准确度可达0.3dB。5.高声强传声器校准器高声强传声器校准器用电动激振器推动活塞，它的空腔较小，允许在164dB声压级条件下校准12、14、1/8三种电容式传声器。如果使用脉冲信号源，则
9、校准声压级可以提高到172dB。在使用不同容积的耦合腔时，其校准频率范围为102Hz1kHz，校准的准确度大约为1.5dB，不受空腔体积和大气静压力的影响。6.声压灵敏度频率响应的测量可用静电激励器测量电容式传声器的声压灵敏度频率响应。静电激励器包括一块开槽板，它安装在传声器膜片的前方。在开槽板和膜片之间加上极化电压并串接入信号电压，当输入电压为800V、交流信号电压为30V、传声器膜片上的有效声压大约为1Pa(94dB)，静电激励器产生的力和频率无关，所以能测量电容式传声器的声压频率响应，测量频率范围可高达200kHz。在高频率时，辐射阻抗要影响测量的准确度，通常在板的后面加1/4波长的空腔
10、可以降低它的影响。表3.1.4各种测量传声器校准方法的准确度7.各种传声器校准方法的比较3.1.6测量传声器的附件在室外特殊条件(如有风、雨等环境)下使用传声器时，应该有相应的附件，如防风罩、鼻锥、防雨罩等。防风罩用来减少空气动力噪声。在室外测量时应该使用多孔聚氨酯海绵制成的专用防风罩，它还可以为传声器遮挡住灰尘、污物和雨滴。传声器放在高速气流中，在传声器的膜片上就会产生湍流，而这种湍流会产生很强的干扰。例如，在风洞、排气孔、行驶的火车或飞机外面测量噪声就属于上述情况。鼻锥是为降低有固定方向的高速气流所产生的强干扰而设计的。鼻锥的前端做成流线形，使用时用它代替一般的防护罩，这样就可以使风阻最小
11、，从而消除湍流。此时，传声器膜片四周的金属网纱仍允许声音传到传声器的膜片上进行正常的声测量。鼻锥使用时除了会降低高速风的影响外，还能改善传声器的全方向性。3.2声级计3.2.1概述3.2.2基本组成3.2.1概述声级计(Sound Level Meter，简称SLM)是一种按照一定的频率计权和时间计权测量声音声压级的仪器。世界上第一台声级计是1925年由美国贝尔电话公司发明的，用于城市交通噪声的普查。声级计是声学测量中最常用的基本仪器，可广泛用于环境噪声、机器噪声、车辆噪声以及其他各种噪声的测量，也可用于电声学、建筑声学等领域的测量。表3.2.1各类型声级计的固有误差3.2.1概述3.2.2基
12、本组成1.基本原理2.频率计权3.时间计权4.方向特性1.基本原理图3.2.1声级计工作原理图2.频率计权声级计中的计权滤波器是一组根据一定要求进行频率滤波的电路网络。声级计的计权特性已由IEC标准化，IEC 651声级计标准中规定了A、B和C三种频率计权特性的要求。由于A声级应用最广泛，因此一般声级计中都具有A计权特性，有的还具有C计权，B计权已用得很少。有的声级计还具有“线性”频率响应，这时声级计对传声器输出电信号的频率特性不加改变。为了测量航空噪声，有的声级计还具有“D”计权特性，在IEC 537用于航空噪声测量的频率计权(D计权)标准中规定了D计权特性的要求。几种频率计权特性的频率响应
13、见表3.2.2，它们的响应曲线如图3.2.2所示。2.频率计权图3.2.2计权频率响应曲线表3.2.2声级计频率计权2.频率计权3.时间计权图3.2.3声级计的检波特性3.时间计权图3.2.4脉冲响度测试结果3.时间计权图3.2.5声级计检波指示器框图表3.2.3偏离基准方向30角范围内灵敏度的最大变化4.方向特性表3.2.4偏离基准方向90角范围内灵敏度的最大变化4.方向特性3.3声强测量系统3.3.1P-U和P-P技术3.3.2声强的频谱表达式3.3.3声强探头的校准3.3.1P-U和P-P技术1.P-U技术2.P-P技术基于P-U技术的声强测量仪是根据声强定义式设计制作的，它由1只压力传
14、感器和1只速度传感器组成，测量时声强仪直接输出压强和质点振速信号，将它们相乘则获得声强仪轴向上瞬态声强值。1.P-U技术1.P-U技术图3.3.1P-U声强仪原理构造示意图2.P-P技术图3.3.2场点和参考点相对位置示意图声压是易于测量的声学量，但声压梯度是无法直接测量的，它只能间接测量。根据有限差分原理，声场中某点0处沿l方向的声压梯度可以由在l方向上两相邻点(参考点1和2)处的声压值近似估算，如图3.3.2所示。2.P-P技术图3.3.3P-P声强仪中传感器排列方式3.3.2声强的频谱表达式获得声强频率分布函数的方法有两种：直接法和间接法。直接法的测量过程是，首先用两个相同特性的滤波器将
15、声强仪输出的两测量信号中不需要的频率成分抑制衰减掉，然后将两相同频率(或频率带宽中)的测量信号相乘获得某频率(或频率带宽中)的声强测量值。间接法是对声强仪输出的测量信号进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号分析。3.3.3声强探头的校准1.P-P声强仪的校准2.P-U声强仪的校准1.P-P声强仪的校准图3.3.4几种P-P声强仪校准装置简图2.P-U声强仪的校准图3.3.51/2电容式传声器声压相位响应曲线3.4数字式声学仪器3.4.1数字式声级计3.4.2多通道声学测量系统3.4.1数字式声级计(1)可以进行复杂运算随着微处理器和数字信号处理器(DSP)运算速度的不断提高，现代的数字测量仪
16、器越来越像一台专用的计算机。(2)读数清晰直观数字仪器不仅能用数字的形式直接显示被测量的数值，而且相应的符号、单位、极性、小数点等也能显示出来，它能消除指针式仪器存在的视差，可以几个人同时进行现场观测。(3)测量速度快数字仪器很容易与其他仪器组成一个完整的测试网络，其测量速度可通过采样时间灵活控制，可由每秒0.1次到每秒几万次，还可进行人工控制、单次采样和手工操作，这样就给自动化测量提供了条件。3.4.1数字式声级计(4)测量准确度高数字仪器比模拟仪器的测量准确度提高很多倍，有的甚至提高几个数量级。(5)测量范围宽，灵敏度高目前灵敏度高的数字电压表的测量下限可达到0.1V或10nV，一般的数字
17、电压表也均能达到10V或1V，而测量上限可高达1500V，几乎覆盖了直流电位计、分压箱和电表的所有量限范围。(6)使用方便，自动化程度高使用数字仪器只需将仪器开机预热、预调之后就可使用。表3.4.1B&K 2260 Investigator应用软件卡功能3.4.1数字式声级计3.4.2多通道声学测量系统3.4.2.1VS302USB双通道声学分析仪3.4.2.2B&K Pulse3560C声学测量系统及前端3.4.2多通道声学测量系统图3.4.1多通道声学测量系统示意图3.4.2.1VS302USB双通道声学分析仪1. ICP供电传声器2.VS302USB双通道声学分析仪的主要功能3.测量操作
18、过程3.4.2.1VS302USB双通道声学分析仪图3.4.2VS302USB采集前端1. ICP供电传声器1)供电原理ICP供电是由仪器的信号输入端提供一个4mA的电流，电流通过同轴电缆到ICP前置放大器，放大器内的电路将4mA的电流转换为前置放大器的供电电压，同时高通滤波器将信号与直流电分离，即两条线既是前置的供电电源线，又是前置的信号输出线。2)与传统传声器的频响的比较图3.4.4所示为ICP供电传声器与传统传声器的频响的比较结果。3)信号线对测量的影响ICP传声器的信号线采用BNC电缆，这样使电缆的长度可以很长。4)动态范围ICP传声器的最大输出电压为7V。1. ICP供电传声器图3.
19、4.3ICP供电传声器图3.4.4ICP供电传声器与传统传声器的频响的比较1. ICP供电传声器图3.4.5ICP传声器的测量动态范围1. ICP供电传声器2.VS302USB双通道声学分析仪的主要功能(1)双通道频域分析(2)瞬态信号采集双通道同时采集。(3)信号发生功能可以产生如下信号：白噪声、粉红噪声、1kHz单频信号、自定义单频或多频信号、扫频信号、方波、三角波、脉冲信号或自定义函数发生器。3.测量操作过程测量时，首先要有一台带有标准USB接口的计算机，同时安装好测量软件SpectraLAB，配置好测量传声器(ICP供电)，然后用USB线连接计算机和采集前端。如果需要激励，可从前端输出
20、激励信号经功率放大器送至激励声源。开机后，Windows98/2000/XP即插即用功能会找到这个新设备，点击“控制面板系统”，选取“设备管理器”页面，确定在“声音、视频和游戏控制器”栏下有USB Audio Device。运行SpectraLAB，在Options菜单中Device项，将Input Device改为USB Audio Device。然后就可根据测量要求完成各种测量任务。3.4.2.2B&K Pulse3560C声学测量系统及前端Pulse系统的主要技术规格如下： 1)输入频率范围：0Hz12.8kHz，采样率为32.768kHz，25.6kHz，采样率为65.536kHz。2
21、)传感器供电电压：15V，最大10mA/通道。3)传声器极化电压：0或200V。4)CCLD用恒流源供电：+4mA及28V。5)输入电压：4.071mV7.071V(峰值)，10dB步长。6)输入阻抗：直接，传声器：1M；CCLD：100k,200pF。3.4.2.2B&K Pulse3560C声学测量系统及前端1. Pulse多分析仪系的特点2. Pulse系统操作基础3.传感器的使用安装方法3.4.2.2B&K Pulse3560C声学测量系统及前端图3.4.6B&K3560C前端1. Pulse多分析仪系的特点1)Pulse多分析仪系统在Windows 2000或Windows 2000
22、XP系统下工作。2)不同模块通道性能不完全相同，对于3109模块，每个输入通道具有BNC及lemo两种输入方式。3)对同一输入信号同时进行多种分析，减少了测试所需时间。4)同时使用多种分析仪和采用多个同类型分析仪作不同参数分析。5)支持外部控件和数据导出(OLE自动化和Axtive悾件)，很容易通过VB、VC、Delphi等常用的编程语言进行二次开发；内置VBA(Visiual Basic for Application)，不安装任何额外的编程语言也可方便的对Pulse进行编程控制。1. Pulse多分析仪系的特点6)利用MS Word快速及自动生成测量报告。7)自动检测前端硬件，自动检测带传
23、感器电子数据表的传感器(IEEE 1445.4标准，即插即用)。8)标准输入配置包括电压、恒流源驱动CCLD、传声器和电荷型选件。9)采集前端的数据通过LAN传至PC时，通信距离可达150m(用无线LAN时更远)，由此可减少传感器长度。2. Pulse系统操作基础一个Pulse项目涵盖整个测量过程，并可包含许多不同的任务和分析。Pulse的设置主要在Organizer菜单的三个部分完成：Configuration Organizer(配置管理器)，Measurement Organizer(测量管理器)和Function Organizer(函数管理器)。(1)Configuration Or
24、ganizer用于对通道选择传感器，对信号命名。(2)Measurement Organizer该功能用于添加分析仪并设置分析仪、信号的属性。(3)Function Organizer该功能用于对测量数据进行后处理。(1)Configuration Organizer图3.4.7配置管理器图表(2)Measurement Organizer图3.4.8级值表(2)Measurement Organizer1)打开Organizer-Measurement，弹出测量管理器菜单，点击测量模板(默认为Working)，右键选择Get Configuration，将Configuration Orga
25、nizer中的设置读取到Measurement Organizer中来。2)单击“Groups”，右键选择“New Group”，向信号组“Insert Signal”。信号编组的目的在于:可一次设置组中所有信号的属性，而不需要对每个信号单独设置；分析仪以信号组为单位来分析信号；计算信号之间的互谱时需要用到一个组或不同组中的不同信号。(2)Measurement Organizer3)点击Set-Up，Insert所需要的分析仪，并向分析仪添加信号组。FFT分析仪适合于对谐波成分丰富信号，找出纯音的频率；CPB分析仪适合于对声音信号进行等百分比带宽分析；Recorder分析仪用于记录原始时域数
26、据(需要7701软件的授权)。4)向分析仪加入信号组。5)单击分析仪，右键选择属性，在其Setup页面，设置分析仪的属性。6)激活，然后选择合适量程。(3)Function Organizer图3.4.9前端通道属性选项卡3.传感器的使用安装方法(1)传感器数据库如果所选择的传感器不在Transducer Database中，那么在打开Configuration Organizer的前提下，打开Pulse程序界面菜单栏的Configuration菜单项，选择Transducer Database项(倒数第5个菜单选项)，进入传感器编辑界面，添加所设置传感器的信息。(2)前端中通道的工作方式(也
27、是传感器工作方式)在Configuration Organizer中对通道选择了正确的传感器后，最好不要改动信号属性Channel页的Input项，该项表示传感器的输入方式，如果改错了，将显示过载或者测量结果不对，如图3.4.9所示。3.5声学设施3.5.1消声室3.5.2混响室3.5.1消声室消声室的主要功能是为声学测试提供一个自由场空间或半自由场空间。自由场是指声波在无限大空间里传播时，不存在任何反射体和反射面。声波在自由场或半自由场空间里传播有特定的物理定义，包括：对点声源声压随距离衰减，这就是声能的反平方律；声压级在常温常压下等于声强级，这是在消声室里测量声功率的理论基础。消声室分全消
28、声室和半消声室两种类型。房间的六个面全铺设吸声层的称为全消声室，一般简称消声室。凡要求测量误差比较小，如要求在1dB以内，或者有测量声源的方向特性等要求的，一般都设计全消声室。房间的六个面中只在五个面或四个面铺吸声层的，称为半消声室。3.5.2混响室混响声场有两种含义：一种是指扩散声场；另一种是指声源在室内稳定地辐射声波时，室内声场中离声源某个距离外混响声比较均匀的区域。在声学测量中，需要扩散声场条件的情况有：有些电声换能器需要知道它的扩散场灵敏度特性；声源输出功率的混响室测量中，需有扩散声场的假定，使声源功率级与室内声压平方平均值和房间体积、室内吸收发生关系；在混响室测材料吸声系数实验中，在
29、声级衰减前和衰减过程中需要扩散声场的假定；在隔层的透射损失的混响室法测量中，隔层两边都要满足扩散声场的假定；某些高噪声环境下的实验研究。因此，建造混响室来获得扩散声场条件也是声学实验测试中的一个重要手段。3.5.2混响室为了使混响室的衰减声场有充分的扩散，并且在低频区域中的简正振动方式的特征频率分布较均匀，通常采取如下几种措施： 1)为使低频范围内简正振动方式的频率分布比较均匀，混响室的形状一般采用边长具有台适当比例的长方体，例如取lx:ly:lz=1:21/3:41/3或取表3.5.2所列之值。2)在壁面上设置固定的扩散元件。3)在室内悬吊扩散板。4)室内安装旋转扩散体。表3.5.1推荐的混响时间3.5.2混响室表3.5.2推荐的混响室尺寸3.5.2混响室
