声学测量分析技术方案

.声学测试分析技术方案一、 声压声波传播过程中， 空气质点也随之振动， 产生压力波动。 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附近起伏变化，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，其辅助单位为微巴，记为bar （ 达因 / 厘米 2 ， dyn / cm2 ）。换算关系为：1Pa1N / m210dyn / cm210 bar（13）与大气压相比，声压是相当小的。在1000 赫时的可听声压范围大约在0.0002200 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， 由于耳膜的惯性作用，辨别不出声压的起伏， 即不是声压的最大值起作用，而是一个稳定的有效声压起作用。 有效声压是一段时间内瞬时声压的均方根值，这段时间应是周期的整数倍。有效声压用数学表示为1T2（14）pp tdtT0式中T 周期；p t 瞬时声压；t 时间。对于正弦声波ppm /2 ， pm 为声压幅值，即最大声压。在实际使用中，若不另加说明，声压就是有效声压的简称。Word 资料.二、声压级 L p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20 倍，即 L pp(1-11)20 lgpo式中L p -声压级，分贝；p -声压，帕；po -基准声压，取 po =20 微帕。有了声压级的概念，就可把由声压值表示的数百万倍变化，改变为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，一般不可能，也没有必要对每个频率逐一测量， 为方便和实用上的需要， 通常把声频的变化范围划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率间的距离。频程有上限截止频率值、 下限截止频率值、 中心频率值和上下限截止频率之差。上、下限截止频率之差即是中间区域，称为频带宽度，简称带宽。一般频程以高频与低频的频率比的对数来表示，此对数通常以 2 为底，其单位称倍频程。即f 22n或f 2(1-15)f1n log 2f1式中f1 、 f 2 -成倍频程关系的低频和高频频率，即下、上限截止频率；n -两个频率相比的倍数。n 可以是任意正实数， n 越小，分的越细， 频程越短，测量所需时间就越多，当 n =1 时，即两个频率相距1 倍时，称倍频程，简称倍频程；当 n1/ 3 时，称 1/ 3Word 资料.倍频程，依此类推。在倍频程中，频程间的中心频率之比都是2：1，其中心频率是上、下限的几何平均值，即f of1 f2四、 计权声级声波的性质主要由声强大小、 频率高低和波形特点决定。 人们的听觉也是由于对声音强、弱、调子高低和音色产生微妙的差异才能分辨出各种不同的声音。所以确定物理量数值与主观感觉的关系是必要的。设置计权网络， 通过对人耳敏感的频率加以强调， 对人耳不敏感的频率加以衰减，就可以直接读出反映人耳对噪声感觉的数值，使主客观量趋于统一。常用的计权网络 A、 B、 C 三种。目前还出现D D1、 D2 、 E 和 SI 几种计权，一般采用 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。它较好地模仿了人耳对低频（500 赫以下）不敏感，对10005000 赫声敏感的特点。用 A 计权测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、 信号处理过程的加窗与平均常用窗函数在对信号进行频域处理时，先要对数据加窗选取，以减小谱的泄露。常用的几种窗函数如下：Word 资料.（ 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 ）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通过了矩形窗这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高。（）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：（ 1-31 ）汉宁窗可以看作是3 个矩形时间窗的频谱之和，或者说是3 个 sine（ t）型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了T，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。Word 资料.（）海明（ Hamming ）窗海明窗也是余弦窗的一种， 又称改进的升余弦窗， 其时间函数表达式为：（ 1-32 ）其窗谱为：（1-33 ）海明窗与汉宁窗都是余弦窗， 只是加权系数不同。 海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。分析表明，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有用的窗函数除了以上几种常用窗函数以外，尚有多种窗函数， 如平顶窗、帕仁（Parzen）窗、布拉克曼（ Blackman）窗、凯塞（ kaiser）窗等。窗函数的选择应考虑被分析信号的性质与处理要求如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度， 则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗；如果分析窄带信号， 且有较强的干扰噪声， 则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比平均方式数字信号处理中， 根据研究目的和被分析信号的特点，常使用以下几种平均Word 资料.方式进行处理。（1）线性平均线性平均 : YN = (1/N)* Xi i=1N（ 1-34 ）全部输入数据的影响都是1/N.线性平均要把全部输入数据储存后再计算，可改为递推线性平均递推线性平均 :Y= Y , =(1/2)*( X+ X )计算后 X ,X 可删除21 21212Y3= Y1,2,3 =(X1+ X2 + X3)=(2/3)* Y 2 +(1/3)X 3计算后 Y2可删除Yn = (n-1)/n)*Y n-1 +(1/n)* Xnn=1N（2）指数平均一阶微分方程Tc（dy(t)/dt ）+ y(t) = x(t)Tc- 时间常数（1-35 ）以采样间隔t 离散成一阶差分方程，dt t , y(t) y(n)-yn, x(t)x(n)-x n , dyyn- y n-1Y =(N-1)/N)*Yn-1+(1/N)*Xn（1-36 ）n因 Tc t,可令 Tc/ t=N,Y =(N-1)/N)*Yn-1+(1/N)*Xn（1-37 ）n例:N=4, Xn= X 1 X2 X3 X4 X5 Y1 =(1/4)* X 1Y=(3/4)* Y1+(1/4)*X2=(3/4)*(1/4) *X1+(1/4)*X22Y3=(3/4)* Y2 +(1/4)*X3=(3/4)*(3/4)*(1/4) X1 +(3/4)*(1/4)*X 2 +(1/4)*X 3Word 资料.Y4 =(3/4)*Y 3+(1/4)*X 4 =(3/4)*(3/4)*(3/4)*(1/4)*X 1 +(3/4)*(3/4)*(1/4)*X 2+(3/4)*(1/4)*X 3+(1/4)*X 4可见以往输入数据对现在输出的影响按(N-1)/N) m 逐渐减小 (遗忘 )。（3）最大值保持保持声压最大的一次结果，作为最终的分析结果。六、 测试基本原理及流程传声器（专用的声学传感器） 将瞬时声压信号转换为电压信号， 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（附加） 、均方根检波和对数转换，最后给出噪声的声压级、 计权声级或倍频程声压级； 还可以输出与成比例的电压信号供监测、存储和频谱等分析之用。声学测量倍频程分析方法流程图七、 试验所需仪器设备：6、 1 动态信号测试分析系统动态信号测试分析系统Word 资料.网络型动态信号测试分析系统，应用范围非常广泛， 一套系统，就可完成应力应变、振动（加速度、速度、位移） 、冲击、声学、温度（各种类型热电偶、铂电阻）、压力、流量、力、扭矩、电压、电流等各种物理量的测试和分析输入阻抗10M 40PF当满度值不大于10V 时，输入信号大于15V(直流或交流峰值)时，输输入保护入全保护；当满度值为 20V 时，输入信号大于 30V(直流或交流峰值 ) 时 ,输入全保护输入方式GND 、DC(单端、差分 )、 AC、ICP数据采集器单端输入、差动输入、ICP 适调输入工作方式外接适调器ICP 适调器 (带双积分硬件网络 )、应变适调器、电荷(选(带双积分硬件网络)、 4 20mA件 )适调器、电荷适调器适调器、双恒流源应变适调器满度值100mV 、200mV 、500mV 、1V、2V、5V、10V、20V最大分析频宽DC 100kHz截止频率 (-3dB10、 30、 100、 300、 1k、 3k、 10k、 PASS(Hz)八档低通滤波器1dB)分档切换平坦度小于 0.1dB(2/3截止频率内 )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，表示欠载模数转换器分辨率24 位- A/D 转换器；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限多通道通讯接口100Mbps 以太网接口所有通道 (无限多 )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 (无限多 )同时工作时，每通道5、 10、20 、定)整数分析频率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 + 实时数字滤波组合抗混滤波器；抗混滤波器截止频率采样速率的 1/2.56 倍，设置采样速率时同时同步设定阻带衰减约 120dB/oct平坦度（分析频小于 0.1dB率范围内）仪器工作电源交流电源220V ， 50Hz直流电源10 18V使用环境适用于 GB6587.1-86- 组条件236mm （宽） 133mm （高） 317mm （深） (十六通道 )；外形尺寸482mm （宽） 133mm （高） 317mm （深） (三十二通道 )。Word 资料.6、 2 声学测量传感器系统声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。它在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、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广泛的应用。自由声场定义：均匀的各向同性的非流动媒质中，边界影响可以不计的声场。能感受声压并转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接，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，从而完成声电的转换。理想的测量传声器应该满足以下条件：1) 与声波波长相比，传声器的尺寸应当很小，不会对声场产生干扰；2) 在声频范围内具有具有良好的频率响应特性，即平坦的幅频特性和零相移的相频特性；3) 动态范围宽。传声器应在很宽的动态范围内具有恒定的声压电压转换灵敏度；4) 性能稳定。5) 高灵敏度和低的电噪声。6、 3 声学分析软件系统Word 资料.声学软件基本处理方法八、典型案例线性幅值谱1/3 倍频程声压测量结果： 得到频域上最大值对应的频率及其声压级值，并显示整个频Word 资料.域的总声压级值等参数。Word 资料