第12章　机械噪声测量

12.1　噪声测量概述

12.1.1　测量目的

噪声测量是噪声控制的重要步骤，通过测量各种机械设备的辐射噪声，可以评价其本身的质量，还可以评估机械设备在运行状态下对个人、对环境的影响。只有充分了解机械设备在不同运行工况下的噪声情况，通过分析声压级大小、声功率大小、频谱特性等，辨识主要噪声源，才能提出控制噪声的有效方法。

噪声测试的第一步就是根据测试对象和目的，选择合适的噪声测量仪器。传声器是噪声测量中的重要传感器，通过它可以测得噪声声压，进而计算出声压级、声功率级等。两个传声器可以组成声强探头，通过它可以测量声强。声级计是噪声测量的基本仪器，它是将传声器、放大器、处理器、显示器集成在一起的设备，体积小便于携带，适合环境监测、车辆噪声测试等现场噪声测试。

根据测试目的，需要选择合适的评价噪声的指标。比较常用的有噪声A计权声压级、A计权声压级1/3频谱。当需要对各种机械设备的噪声情况做对比时，需要测试声功率级。当需要评价噪声对人的影响时，可以测试心理声学指标，如响度、粗糙度、抖动度、尖锐度等。根据测试的实时性，可以选择现场实时分析或现场数据采集和事后分析。

12.1.2　测量注意事项

12.1.2.1　测点的选择

在现场进行机械设备噪声测量时，由于机械设备所在的环境不是消声室、混响室等声学环境，机械设备辐射的噪声随着离机械设备的距离而变化。靠近机械设备附近是近场区，当测量距离小于机械设备所发射噪声的最低频率的波长时，或者小于机械设备最大尺寸的两倍时，认为是近场区。近场区的声场不太稳定，测量时应避免在这一区域。近场区以外是自由场区，在这一区域内随着离开声源的距离增加一倍，声压降低6dB，现场测量应选择在这个区域进行。当测点离声源太远且距离墙壁或其他物体太近时，反射很强，这个区域称为混响区，也要避免在这一区域内进行测量。

12.1.2.2　背景噪声的修正

噪声测量时，被测声源停止发声后，还有其他噪声存在，这种噪声叫背景噪声。背景噪声会影响到测量的准确性，但可以修正，修正值见表27-12-1。当总噪声与背景噪声之差大于10dB时，背景噪声的影响可以忽略；但如果两者之差小于3dB，最好采取措施降低背景噪声，或者移到背景噪声较小的场所进行测量，否则测量误差较大。

12.1.2.3　环境的影响

当环境温度、湿度和大气压力变化时，传声器的灵敏度可能会受到影响。一般要求，当大气压力变化10%时，对1型声级计，整机灵敏度变化不大于0.7dB，对2型声级计不大于1.0dB。在规定的温度范围内，相对20℃，1型声级计灵敏度变化不大于±0.8dB，2型声级计灵敏度变化不大于±1.3dB。另外，在规定的湿度范围内，以65%相对湿度为参考，对1型声级计，灵敏度变化不大于±0.8dB，对2型声级计灵敏度变化不大于±1.3dB。

强的电磁场可能会对声级计有干扰，影响测量的准确性。当现场有磁场干扰时，应当变换声级计的位置或在远离磁场的地方进行测量。

振动也会影响测量的准确性，当振动方向与传声器膜片垂直时，影响尤其严重，也要尽量避免。

12.1.2.4　测量仪器的校准

为了保证测量的准确性，测试前和测试后都要对仪器进行校准。可以用活塞发生器、声级校准器或其他声压校准仪器进行声学校准，这样能对从传声器、前置放大器、电缆、放大器到采集系统等整个噪声测量仪器进行校准。

12.2　噪声测量仪器

12.2.1　噪声测量基本系统

最基本的噪声测试系统由三部分组成，如图27-12-1所示。

传声器把声信号转变成电信号，测试用的传声器大多为电容传声器。由于电容传声器输出阻抗高，对信号放大用的放大器有一些特殊要求。通常放大器由两部分组成：前面部分紧接传声器的称作前置放大器，主要是起阻抗变换作用，其输出是低阻抗的电压信号，可以接较长的电缆；其后才是一般电压放大器，经放大后的信号，可以用磁带机记录或由数据采集卡采集到计算机内，最终由计算机进行处理运算并显示在屏幕上。

12.2.2　传声器

噪声测量的主要传感器是传声器，也叫话筒或者麦克风（microphone），它将声信号转换为电信号。传声器的种类很多，它的构造、外形尺寸、测量范围、适用场合等都不尽相同，为了获得准确的噪声信号，需要根据测量要求选择合适的传声器。

12.2.2.1　传声器的性能指标

（1）频率响应特性

传声器将声压信号转换成电信号，输出电信号对频率的响应，叫做频率响应特性。理想的状况，传声器的频率响应曲线在声频范围内平直，但实际很难做到这一点。如图27-12-2所示，低频低一些，高频高一点。这种随频率波动的响应特性，叫做频率不均匀度。通常以1000Hz时的频率为基准，相差多少dB进行比较。

（2）灵敏度

传声器的灵敏度是指传声器的输出端开路电压与声压之比，也称开路灵敏度。声压的单位为帕（Pa=N/m²），输出电压为mV，则灵敏度的单位用mV/Pa表示。也可以用dB表示传声器的灵敏度，以1000mV/Pa为参考灵敏度，即0dB，则1mV/Pa对应-60dB。

（3）动态范围

传声器的动态范围是指传声器所能测到的由最低声压和最高声压确定的声压范围。传声器的动态范围很大程度上与灵敏度相关。一般来说，高灵敏度传声器可以测较低声压，但不能测很高的声压；低灵敏度传声器可以测较高声压，但不能测很低的声压。

（4）固有噪声

在一个绝对安静的环境下，没有声波作用在传声器上时，由于周围空气压力的起伏和传声器电路的热噪声，在传声器前置放大器输出端引起一定的噪声声压，称为固有噪声，通常用等效A声级来表示。固有噪声也决定传声器所能测到的最低声压级。

（5）指向性

传声器的响应随着声波入射的到传声器的角度不同而变化，称为传声器的指向性。传声器响应随声波入射的角度而变化的图，通常以极坐标图表示。如图27-12-3所示。

（6）非线性失真

声压很高时，传声器的输出不呈线性，称为非线性失真。使传声器的失真度达到3%的声压级，一般定义为传声器能测到的最高声压级。

（7）输出阻抗

不同类型的传声器有不同的输出阻抗。例如动圈式传声器的输出阻抗只有几十欧姆到几百欧姆，可以直接与一般放大器连接；而电容传声器的输出阻抗高达几兆欧姆，不能直接与放大器连接，所以需要使用高输入阻抗的前置放大器来配合。

（8）稳定性

温度、湿度、气压、振动、冲击等环境因素对传声器的工作稳定性有较大的影响。通常电容传声器可以在-30～150℃的环境下使用，温度变化系数大约是0.008dB/℃；大气静压的影响大约是0.1dB/kPa。

（9）几何尺寸

传声器的外形尺寸对声场有干扰。特别当传声器的直径与入射声波的波长相当时，被传声器散射的声波与入射声波会产生干涉，影响测量的准确。

12.2.2.2　传声器种类及特点

按照换能原理和结构的不同，传声器大致可以分为：电容式传声器、电动式传声器和压电式传声器。见表27-12-2。

12.2.2.3　电容传声器

（1）电容传声器的结构和原理

电容传声器主要由张紧的振膜和与它靠得很近的背极组成，见图27-12-4。振膜是一层很薄的膜片，一般是不锈钢镍片。振膜和背极在电气上互相绝缘，从而构成一个以空气为介质的电容器两个极板，一个直流电压加在两个极板上，电容器就充电，所加电压称为极化电压。当有声压入射到膜片上时，张紧的膜片将产生与外界信号一致的振动，使膜片与背极之间的距离改变，引起电容量变化，在负载电阻R上将有一个交变电压输出。对于同一传声器，在极化电压、负载等不变的情况下，所产生的交变电压大小和波形由作用在膜片上的声压来决定。输出电压ΔE与电容膜片和背极之间的距离变量ΔX成正比。

传声器是很精密的传感器，膜片很薄，膜片与后极板的距离只有几十微米。使用时要小心谨慎，一般不要拧开前面的保护罩。安装的时候确保传声器不要从高处摔落地上，以免损坏传声器。同时传声器的灵敏度受温度、湿度变化影响，为避免传声器受潮，可以使用干燥瓶存放传声器。

（2）电容传声器的性能指标（表27-12-3）

（3）传声器的灵敏度

电容传声器的灵敏度有自由场灵敏度S_m、声压灵敏度S_R和混响场灵敏度S_d三种。

灵敏度随频率改变的关系曲线称为频率响应曲线。如图27-12-5所示。

每种电容传声器都有三种灵敏度。根据频率特性，如果自由场灵敏度曲线是平的，称为自由场传声器；如果声压灵敏度曲线是平的，称为声压型传声器；如果混响场灵敏度曲线是平的，称为扩散场传声器。

12.2.2.4　传声器的使用

按测试环境、测试要求、测试目的来选择不同型号的传声器。

（1）按声场条件

①自由场　噪声主要来自一个方向，反射声不大，近似自由声场，所用的传声器要求是平直的自由场传声器，且需使声波0°入射。若用声压型传声器，必须90°入射，才可使声压型传声器的自由场响应曲线在高频接近平直。

②混响场　在混响室或具备混响条件的场合，需使用扩散场传声器。

③一般室内的近似扩散声场　如果室内有多个反射面，而且噪声来自各个方向，近似一个扩散声场，可选用扩散场传声器。若用自由场传声器，可加入一个无规入射矫正器，起到无规入射修正。上述三种情况可归纳为图27-12-6。

（2）按声级高低

传声器的灵敏度与外形尺寸有关，1in传声器灵敏度最高，可以测量较低的声压。相反，1/4in和1/8in传声器灵敏度低很多，可以测量很高的声级。

（3）按测量目的

①做量级评定或噪声源辨识　评定某一设备的噪声量级大小，要避免其他噪声源的影响，需选用指向性好的自由场传声器，正对声源。声源辨识时，也可以选用自由场传声器。

②环境噪声测定　要求把来自各个方向的声源产生的声波都能接收到，且有平直的响应，可选用方向性不强的声压型传声器。

12.2.2.5　特殊传声器

12.2.2.6　前置放大器

电容传声器输出的是高阻抗信号，需要一个输入高阻抗和输出低阻抗的变换器，这个变换器称为前置放大器。

有两种前置放大器，一种是与外极化传声器配套的传统型前置放大器，连接的电缆是7芯电缆；需要电压驱动，电缆上负载的电压信号最高可以达到50Vpeak。另一种是与预极化传声器配套的恒流源前置放大器，需要2～20mA的电流（通常是4mA）供给。取代复杂的7芯电缆，恒流源前置放大器可以使用简单的同轴电缆。电缆上负载的电压信号最高可以达到8Vpeak。

12.2.3　声级计

声级计（sound level meter）是噪声测量中常用的仪器，它将传声器、前置放大器、分析显示集成在一台设备上，便于携带，非常适合环境噪声评估和监测、车辆噪声测量、建筑声学监测和机械设备噪声测量等应用。

12.2.3.1　声级计的原理及分类

传统模拟声级计主要由传声器、放大器、衰减器、频率计权网络以及有效值指示表头组成。随着数字信号处理技术的发展，数字声级计精度更高、运算速度更快、结果显示更加清晰直观，有渐渐取代模拟声级计之势。数字式声级计主要由下列单元组成，见图27-12-7。

按照测量精度要求和实际测量目的等要求，需要选择合适的声级计进行声学测量。声级计按精度高低分类见表27-12-5，声级计按用途分类见表27-12-6。

12.2.3.2　声级计的主要性能

（1）频率计权

声级计中的计权滤波器根据国际标准IEC 61672《声级计》中规定的频率计权特性（A、C、Z）的要求而设计。A计权应用最广泛，一般声级计中都有A计权功能，有的也有C计权。如果声级计具有“线性”频率响应，这时的声级计在频率范围内的频率响应是平直的，不随频率变化，即Z计权。为了测量航空噪声，有的声级计具有D计权功能，在IEC537《用于航空噪声测量的频率计权（D计权）》标准中规定了D计权的要求。A、C、Z、D四种频率计权特性的频率响应见表27-12-7。

声级计的频率计权特性是声级计在自由声场中在参考入射方向上的相对响应，不仅与计权滤波器的频率特性有关，也与传声器的频率响应、放大器和检波指示器的频率响应有关。由于传声器的频率响应基本是平直的，所以可以用电信号测量声级计的电响应来代替自由场响应。在高频测量时，可根据传声器频率响应对测量进行修正。

（2）时间计权

声级计还需要有时间计权特性，才能使测量结果反映人的主观感受。所谓时间计权，就是时间平均特性。声级计一般包括三种时间计权：“快”（F），“慢”（S）及“脉冲”（I）。

快、慢时间计权主要用于对连续稳定声波的测试，“快”挡时间常数为125ms，“慢”挡时间常数为1000ms。测量稳定的连续声时，使用“快”、“慢”一般没有差别。但如果测量的声波有较大的起伏，则用“慢”挡平均起伏比较小，峰值测量会有误差。如果需要准确的了解声波的波峰和波谷，用“快”挡平均比较好。

因为人耳对短促的脉冲声的响度感觉与对稳态声的响度感觉不一样。脉冲声持续时间很短，重复出现的间隔时间可能很长，甚至在一段时间内只出现一次，脉冲声具有很高的峰值因数。脉冲声对人耳和听力损伤的危险性也与稳态声不一样。脉冲时间计权是一种快上升慢下降的特性，能指示短时间有效值的最大值。对于连续的稳态声，脉冲计权特性与“快”、“慢”计权特性的测量结果一致。但对于脉冲声，“脉冲”计权的测量结果通常比“快”、“慢”计权的结果大，最大时可能达到20dB。因此，对于脉冲声，不能用一般声级计进行测量，否则会有较大的误差。

（3）指向特性

声级计最好是全方向性，这是理想状态。首先传声器有方向性，其次其本身尺寸比传声器大很多，对声场的干扰也严重很多。只有当声波的波长比声级计的尺寸大很多时，才可以认为是全方向性的。因此，测量低频噪声时，声级计的方向性不成问题；但对于高频噪声，如3000Hz以上，必须考虑方向性。

对于单一声源，测量时一般总是把声级计正对声源，指向性不成问题。但对于多声源或声源在不定的移动状态，且高频成分比较明显时，必须注意指向性。

改善声级计指向性的方法有：

①使用延伸杆或延长电缆，把传声器与声级计本体分离开；

②用无规入射矫正器，改善传声器的指向性性能；

③选用比较小的传声器。

12.2.3.3　积分声级计

实际应用中，尤其对非稳定噪声，需要测量噪声的等效连续声级L_eq，其公式如下：

　　（27-12-1）

一般声级计不能直接测量等效连续声级，只能通过测量不同声级的暴露时间，然后计算等效连续声级。使用积分声级计就能够直接测量并显示某一测量时间内被测噪声等效连续声级。

积分声级计又称积分平均声级计或平均声级计。积分声级计和一般声级计都是对频率计权声压进行平均，但平均过程不一样。第一，一般声级计的平均是对相对较短的时间段内进行指数平均，如前面所讲到的“快”（125ms）挡、“慢”（1000ms）挡。积分声级计是对相对较长的时间段内进行线性平均，时间可达几分钟或几小时。第二，积分声级计对发生在指定时间内的所有声音同样重视，而一般声级计则对最新发生的声音比先前发生的声音要重视。积分声级计采用的是线性平均，一般声级计采用的是指数衰减平均。

积分声级计主要用在以下几个应用中：

①能引起听力损伤或烦恼的工业噪声测量；

②公共噪声（交通、居民住宅区、工业区及机场）测量；

③测量机械设备声源的平均声压级。

12.2.3.4　噪声暴露计

噪声的危害不仅与噪声的强度有关，还与噪声的暴露时间有关。为了衡量噪声对人耳听觉损伤危害程度，一些国家按照噪声的强度和暴露时间制定了有关噪声标准。我国的《工业企业噪声卫生标准》，也按此原则规定了每个工作日八小时噪声暴露量不得超过85dB（A）。

噪声A计权噪声声压平方的时间积分称为噪声暴露量：

　　（27-12-2）

如果声压P在测试时间内保持不变，则：

　　（27-12-3）

式中　P——A计权声压，Pa；

T——测试时间，h；

E——噪声暴露值，Pa²·h。

1Pa²·h的暴露值，相当于85dB（A）暴露八小时，恒定声级积分时间加倍（或减半），噪声暴露量加倍（或减半）；同样的，对恒定积分时间声级增加（或减小）3dB（A），噪声暴露量加倍（或减半）。

对于某一时间内的等效连续声级L_eq与噪声暴露值之间的关系如下式：

　　（27-12-4）

式中　T——积分时间，h；

P₀——基准声压，2×10^-5Pa。

噪声暴露值与噪声暴露级L_AX的关系为：

　　（27-12-5）

佩戴在人身上的噪声暴露计叫个人噪声暴露计。个人噪声暴露计主要是测量人头部附近的噪声暴露，并由此可按国际标准ISO 1999来评估可能的听力损失。

另一种测量噪声暴露的仪器叫噪声剂量计，用来指示法定噪声暴露限定的百分比的噪声剂量（DL）。例如规定每天工作8小时的工人，容许噪声标准为90dB，也就是声暴露为3.2Pa²·h，此时的噪声剂量为100%，其他不同的声暴露都与其比较并用百分数表示。对于1.6 Pa²·h，噪声剂量计上的度数为50%，对于6.4 Pa²·h，噪声剂量计上的度数为200%。

12.2.3.5　统计声级计

当需要测量噪声的变化情况，需要用到统计的方法。例如在道路交通噪声或室外环境噪声检测时，噪声都是在不断变化中，需要用到统计声级计。

统计声级计是用来测量噪声声级的统计分布，并指示L_n（L₅、L₁₀、L₅₀、L₉₀、L₉₅等）的一种声级计。例如在某段时间内读得的声级共n=200个，以声级大小依次排序，从高声级数起，累积数到达20的这个声级，称为百分之10的声级，即L₁₀，如果第20个声级是90dB，则L₁₀=90dB，表示有10%个数超过90dB。同样的，累积数数到100个的声级值为累积百分声值L₅₀，数到180个的声级值为累积百分声级L₉₀。比较常用的是L₁₀、L₅₀、L₉₀，分别代表高峰、中值和“环境”声级。

12.2.3.6　频谱声级计

随着硬件和软件的发展，声级计功能越来越很强大，如频谱声级计可以显示噪声倍频程频谱、1/3倍频程频谱等，并可以进行数据存储数据、数据输出、事后分析、数据打印等多项功能。

12.2.4　附件的使用

除了传声器和前置放大器外，还需要选择合适的附件才能确保噪声测量的准确，附件的使用如表27-12-8所示。

12.2.5　记录及分析仪

12.2.5.1　数据记录与采集

传声器将声压信号转变成电压信号，该电压信号经放大后，首先要记录下来。磁带记录仪是声学测量中常用的记录仪器，它具有如下特点：

①记录的信号能长期保存；

②能通过改变时间基准的方法（即快速记录慢速回放或相反）改变信号的频率；

③使用方便，磁带可以循环重放；

④工作频率很宽，可以记录低至直流高至1MHz的信号；

⑤可以记录不同通道信号，并保证不同通道之间的同步；

⑥记录质量高。

但磁带记录仪在信号实时分析处理方面不具有优势，特别在测试现场要求所有通道都能实时监测的情况下，所以磁带记录仪比较适合实时分析要求不高的测试中使用，先记录数据再事后分析。

随着信号采集硬件的发展、计算机的普及和软件功能的支持，越来越多的测试可以实现数据采集和数据分析同时完成，如数字式分析仪。

12.2.5.2　数字式分析仪

数字信号处理技术的发展速度快，应用广泛，可以通过软件在计算机上进行，与模拟信号分析相比具有精度高、灵活性大、可靠性高、可同时处理多个通道等优点。所以数字式分析仪在声学测试中被广泛地应用。在声学测试中，常用的数字式分析仪有两种：以FFT硬件为中心的频谱分析仪和将软件和硬件集成在一起的动态信号分析仪。

（1）频谱分析仪

频谱分析仪大多有两个输入通道。数据采集系统的每个通道由放大器、抗混叠滤波器、采样/保持器和模数转换器组成。频谱分析仪核心运算时FFT和加窗处理，大多由数字信号处理器（DSP）实现。功率谱估计和各种平均运算等，则由浮点运算处理器（FPP）完成。

频谱分析仪的主要功能是对噪声信号进行时域和频域分析。时域分析包括瞬态时间波形、平均时间波形、自相关函数、互相关函数、脉冲响应函数等；频域分析包括线性谱、1/3倍频程谱、功率谱、互功率谱密度、频率响应函数、相干函数等。

如图27-12-8所示，只要配有声强探头（p—p形式），就可以利用频率分析仪来计算声强值。

（2）动态信号分析仪

动态信号分析仪除了数据采集和信号分析外，还具有多功能信号发生器，见图27-12-9。动态分析仪与频谱分析仪相比，有以下优点。

①可实现多通道测试。频谱分析仪一般只有两个输入通道，而动态信号分析仪的输入可以达到16～48通道，甚至更多，信号输出可以有1～4个通道。

②硬件配置灵活。板卡式、机箱式的硬件，使得可以任意选择不同类型输入信号的通道配置方案。

③分析功能易于扩展。基于计算机软件的动态分析系统的功能可以进一步开发，随着测试技术的发展和要求的变化，可以增加新的软件模块，甚至用户自己开发。

噪声测试中测点通常较多，特别是在声阵列测试中要求多个甚至是几十个传声器，而且实时分析的要求也越来越高，需要分析的函数功能也越来越多，所以动态信号分析仪在噪声测试中应用得越来越广泛。

12.2.6　声校准器

电容传声器的校准，按照精度要求，大致可以分为两类：第一类是精确校准方法，也是绝对校准方法，采用互易校准技术，只在个别高级精密实验室才能完成这类校准；第二类是工程实用校准方法，采用校准器产生的声压做参考标准，虽精度没有第一类高，但足以满足工程测量精度，因此广泛被一般实验室和工程试验实际采用。校准器有活塞发生器和声级校准器两种，见表27-12-9。

12.3　噪声测量方法

12.3.1　声级测量

12.3.1.1　试验目的

工业噪声的现场测量往往用便携式的声级计来进行，在实验室测量除了用声级计外，还可以用传声器与动态信号分析仪组成噪声测量系统，测试噪声声级，并可进行频谱分析，得到噪声源的各频率分量。按此找出主要声源，借以提出改进措施或选用合适的噪声控制方法。

12.3.1.2　试验原理

噪声测量系统见图27-12-10。用传声器接受声源辐射的声压信号，并转换成电压信号。经放大、滤波等调理后，可以用示波器直接看声压信号的变化，也可以用信号分析仪记录声压信号并进行实时分析。这样的系统，做成专用的仪器，就是声级计。

12.3.1.3　测点选择

现场测量时，按照噪声源的形状和大小，决定测量位置和点数，一般要求前后左右上，分别测量五点，或按照有关机械设备的噪声测试标准进行。若机器尺寸大于1m，传声器布置在距离机器表面1m处；若机器尺寸小于1m，则传声器布置在距离机器表面0.5m处。可用三脚架固定传声器，以避免测量时人体反射的影响。

12.3.1.4　测试内容

（1）稳态噪声测量

稳态噪声的声压级用声级计测量。对于起伏小于3dB的噪声可以测量10s时间内的声压级；如果起伏大于3dB但小于10dB，则每5s读一次声压级并求出平均值：

　　（27-12-6）

对于N个分贝数非常接近的声压级求平均，可以根据下面的近似公式求平均值：

　　（27-12-7）

A声级是A计权声压级，是噪声的主观评价指标之一，可以用A计权网络直接测量，也可以由测得的倍频程或1/3倍频程声压级转换为A声级，转换公式如下：

　　（27-12-8）

式中　R_i——测得的1/3倍频程声压级；

Δ_i——校正值，由表27-12-10给出。

（2）非稳态噪声测量

对于不规则噪声，可以测量声压级的时间-频率分布特性，具体包括：最大值、最小值、平均值；声压级的统计分布；等效连续声级和噪声的频谱分布。

测量声压级的时间分布特性时，可每隔5s读一次声压级，获得100个数值，可以计算出最大值、最小值、平均值以及累计百分声级，如L₁₀、L₅₀、L₉₀等。

等效连续A声级的计算公式如下：

　　（27-12-9）

式中　T——测量的总时间（s）；

L_A——瞬时A声级，dB（A）。

测量声压级的频率特性，可以用倍频程或1/3倍频程声压级谱来表示。

（3）脉冲噪声测量

脉冲噪声是指大部分能量集中在持续时间短于1s而间隔时间长于1s的猝发噪声。脉冲噪声对人的影响通常是能量而不是峰值、持续时间和脉冲数量。因此，对连续的猝发声应该测量声压级和功率，对于有限数目的猝发声则测量暴露声级。

12.3.2　声功率测量

12.3.2.1　试验目的

声压或声压级可以衡量噪声能量的大小，但声压或声压级与测量距离有关，因此不利于相互比较。为此，国际和国内都用声功率来衡量机器噪声量级的大小。所以，掌握声功率的测量方法是噪声测试重要的内容。

12.3.2.2　试验原理

机器辐射的声功率在稳定工况下是恒定的，用声功率来表示机械设备的噪声大小比较合理，而且也便于对不同机器进行比较。

ISO 3741～ISO 3746和国家标准详细规定了机器噪声声功率的测试方法。有在消声室测定的方法，也有在混响室测定的方法，还有在现场用的工程法和简易法。对于某一种产品，各个国家相关工业部门也制定了各种产品的声功率测定标准，如冰箱、空调、电动工具等。因此，声功率测量方法已经形成规范，但归纳起来为标准声源法和包络面法两种方法。

（1）标准声源法

标准声功率源是一种专用的声源，它能在一定的频带内辐射比较均匀的声功率谱。

首先，把标准声源放在消声室中进行标定，由于消声室内的声场为自由声场，声压级与声功率级有如下关系：

　　（27-12-10）

式中　L_p——声压级，dB；

L_w——声功率级，dB；

r——离开声源的距离，m。

只要测得离标准声源一定距离r处的平均声压级L_p，就可获得标准声源的声功率级。一般标准声功率源在产品出厂时已经经过了测试，L_w已知，所以这一步可以省略。

然后，在现场，测出离被测机器一定距离r处的平均声压级L'_p；再搬走被测机器（若被测机器不能移动，允许将标准声源放在被测机器上面）；把标准声源放在被测机器同一位置上，使标准声源代替机器发声。测得离标准声源r距离处的平均声压级L_p，由于环境条件相同，被测机器的声功率级：

　　（27-12-11）

式中　L'_p——距被测机器r处平均声压级，dB；

L_p——距标准声源r处平均声压级，dB；

L_w——标准声源声功率级，dB。

（2）包络面法

包络面法已纳入国家标准，包括精密法、工程法和简易法三种。其中精密法适用于半消声室和消声室内测试，而工程法和简易法适用于现场测试。现把三种标准列表如表27-12-11所示。

包络面是一种假想的包围声源的表面，由于声源大小和形状不同，可以分为两种包络面：半球面和矩形六面体。对于小型机器设备，优先选用半球面。测量点布置在包络面上。

12.3.2.3　测点布置

1）当包络面选择半球面时，测点的布置见图27-12-11，半球面半径R为2～5倍被测声源尺寸，通常不应小于1m。

测出各点的A声级，然后按公式计算声功率级，计算公式如下：

　　（27-12-12）

　　（27-12-13）

式中　——各测点A声级，dB（A）；

K₁——背景噪声修正值；

K₂——环境噪声修正值；

S——测量表面面积，m²；

S₀——基准面积，取S₀=1m²。

其中，背景噪声修正值K₁，可根据表27-12-1计算；环境噪声修正值K₂，可根据公式K₂=10lg（1+4/AS^-1）计算， A=0.161V/T₆₀，V为房间体积，S为房间吸声面积，为混响时间。

2）当测量表面选择矩形六面体时，测点布置见图27-12-12。图中参考箱是恰好罩住待测声源的假想矩形体，其长、宽、高分别是2a、2b、c，并且2a=l₁+2d，2b=l₂+2d，c=l₃+d。距离d通常取1m，l₁、l₂、l₃分别是参考箱的长、宽、高，基本测点是如图27-12-12所示的9点，如相邻测点之间声压级变化较大时，应增加测点。

12.3.3　声强测量

12.3.3.1　试验目的

声强测量具有受环境影响小的优点，不像声压测量受环境的影响（背景噪声、反射声）较大，因此声强测量能够有效地解决许多现场声学测量问题，成为噪声研究的一种有力工具。

声强测量的主要应用有以下几个方面。

①用分布测点法现场测试声源的声功率。

②用扫描法现场测试声源的声功率。

③辨识声源。

④测试材料的声阻抗率和吸声系数。

⑤测试声能传递损失。

⑥测试振动表面声辐射效率。

12.3.3.2　试验原理

声能流密度w，定义为

　　（27-12-14）

式中　p——声场中该质点声压，Pa；

u——声场中该质点振速，m/s²。

声场中任意一点的声波强度称为声强，等于通过与能流方向垂直的单位面积的声能量的时间平均值，通常用符号I表示，其单位为W/m²。

　　（27-12-15）

声能流密度实际上是声强的瞬时值，即w=I（x，t）。

声强级L_I，定义为

　　（27-12-16）

式中　I——待测声强；

I₀——基准声强，I₀=10^-12 W/m²。

瞬时声强是瞬时声压和瞬时质点振度的乘积，声压可以用传声器测量，而质点速度只能间接测量近似估算。根据质点振度的测量方法，声强测量技术可以分为两大类：一类是将传声器和直接测量质点振速的传感器相结合，简称p-u法；另一类是双传声器法，简称p-p法。

（1）p-u法

这种声强探头有两对超声波发射器S，可同时发射两个方向平行但方向相反的超声波波束，并在等距离处有各自的接收器R，探头中心装有传声器M，如图27-12-13所示。当在同向上存在声波时，两个接收器所收到的信号存在相位差，可以测出质点振速，传声器测声压，两者相乘后可以得到瞬时声强，在求时间的平均值可以得到有功声强。

设超声波发射器和接收器之间的距离为d，没有声波时超声波由发射到接收所经历的时间为t₀=d/c₀。若存在声波，其质点速度为u_x，则两个超声波束所经历的时间各自变成

　　（27-12-17）

　　（27-12-18）

两超声波束到达接收器时的相位差为：

　　（27-12-19）

式中　ω_n为超声波角频率，当u_x≪c，式（27-12-19）可简化为：

　　（27-12-20）

由此可以计算出质点振速：

　　（27-12-21）

目前市场上已经开发出体积较小的p-u探头，能够满足实际测量的需求。

（2）p—p法

声场中某点的质点速度可以通过两个传声器组成的探头来测量。图27-12-14所示就是典型的面对面式双传声器探头。

两传声器A和B之间有一小段距离d，两传声器测出的声压分别是p_A（t）和p_B（t）。声波传播方向上，质点速度与声压梯度的积分成正比，即

　　（27-12-22）

则

　　（27-12-23）

式中　ρ₀——空气密度。

当d远小于波长λ时，可以近似地改写成，于是上式可改写成

（27-12-24）

两传声器之间中点的声压可以认为是p_A（t）和p_B（t）的平均值

　　（27-12-25）

则x方向上测量点的瞬时声强为

　　（27-12-26）

取其时间平均就可以得到x方向上的有功声强：

　　（27-12-27）

当ϕ_A-ϕ_B很小时，

　　（27-12-28）

对于噪声控制，平均声强在频域上的谱分析也非常重要，所以声强测量仪器需要将时域信号变换成频域信号。声压p和质点振速u之间的互相关函数是：

（27-12-29）

平均声强：

（27-12-30）

S_pu（ω）简称互谱，它表示平均声强的频率分布。S_pu（ω）是个复数，其实部是偶函数，代表有功声强；虚部是奇函数，代表无功声强，其积分为零。G_pu（ω）是S_pu（ω）的单边谱，则有：

　　（27-12-31）

当使用p-u探头进行测量时，根据式（27-12-30），只需要将测得的p（t）及u（t）信号，输入双通道FFT分析仪，就可直接得到所测方向的I（ω）。设p（t）和u（t）的傅里叶变换分别是P（ω）和U（ω）， 由式（27-12-24），有

　　（27-12-32）

由式（27-12-34），有

　　（27-12-33）

（27-12-34）

也就是说，用p-p探头进行测量时，只要得到两个声压互谱的虚部，就得到有功声强的频率分布I（ω）。总的平均声强为：

　　（27-12-35）

12.3.3.3　双传声器探头

在p—p法中由两个传声器组成的声强探头是声强测量系统的重要组成部分，通常有四种形式：并列式、顺置式、背靠背式和面对面式。如表27-12-12所示。

两个传声器应具有相同相位响应以及平直的频率响应曲线。正确选择两传声器之间的间距d对测量精度有很大影响。表27-12-13 给出了不同间距的声强探头的频率响应。从表中可以看出，间隔越小，上限频率越高，下限频率也越高。

一种特制的“在位”校准的双静电激发器结构，可以在整个频率和灵敏度范围内同时校准两个传声器，也可以利用活塞发生器或其他声源在专门耦合腔内进行校准。

12.3.3.4　声强信号处理方法

双传声器声强测量仪的信号处理方法可以分为用模拟电路的直接法和用FFT计算的间接法两种，见表27-12-14。

12.3.4　声品质评价

12.3.4.1　评价目的

数十年来，在机电设备噪声的声学测量工作中，过去主要考虑对人耳听力的影响，A声级是最主要的评价量，所以降低A声压级是主要的噪声控制指标。但是，由于声音物理特性和人体主观感知的差异性，具有相同A声级的噪声由于频谱结构的差异，引起人耳听觉感受也不同。例如传统的车内噪声评价主要是A声级，但是人们发现，相同声压级的噪声经常给人不同的听觉体验，单用A声级不能客观地反映车内噪声给人的听觉感受，还需要考虑频谱特性、时域特性、人耳对声音的各种反应等。所以声学工程师提出了车内声品质的概念，成为评价声音适宜性的主要指标。

声品质是一种主观判断的结果。当声音产生了一种令人不悦的、烦恼的听觉感受时，我们就说声品质不好，或者说声品质和产品不协调。相反，如果声音产生了令人愉悦的听觉感受，或者与产品有积极的联系，我们就说起声品质好。声品质反映了人对噪声的主观感受，对产品使用者的购买心理起到了越来越关键的作用，尤其在汽车领域，研究车内声品质，改善车内声品质，提高汽车乘坐舒适性和市场竞争力，日益受到汽车界的高度重视。声品质的研究，实际上提出了现代噪声控制的全新概念，即噪声控制不仅要降低噪声的声压级，还要能够调节产品的声音特性，消除总体噪声中令人烦躁的成分，保留令人愉悦的成分，使得产品符合消费者主观感受的要求。声品质的准确评价是声品质改进和设计的前提基础。

评价声品质的方法有两种：客观评价和主观评价。客观评价通过试验测量并分析车品质评价指标：响度、尖锐度、抖动度、粗糙度等；主观评价试验组织多名评价人员在实验室内通过监听噪声样本，利用打分或对比的方法评价噪声样本，运用统计的数学方法获得主观评价结果。

12.3.4.2　客观评价

（1）响度

人耳对声波响度的感受，不仅和声压相关，也和频率相关，声压级相同而频率不同的声音听起来可能不一样响。为了既考虑到声音的物理量能量，又考虑到人耳对声音的生理感受，提出了响度级的概念，单位为方（phon）。使用等响度实验方法，以1000Hz某一声压级的声压为基准，进行不同频率的响度对比，可以提出不同频率、不同声压级的等响度曲线，见图27-12-15。

响度级虽然定量地确定了响度感受与声压级、频率的关系，但是却未能确定这个声音比那个声音响多少。为此，1947年国际标准化组织采用了一个与主观感受成正比的参量：响度（loudness），单位宋（sone），符号为N，并规定响度级40方为1宋。经实验得到，响度与响度级的关系为：

　　（27-12-36）

式中，N是响度（宋）；L_N是响度级（方）。

考虑了时域特性的响度计算目前还没有统一的国际标准。关于稳态噪声的响度计算，国际标准ISO 532规定了A、B两种计算方法，均考虑了不同频率噪声之间的掩蔽效应。A方法：由斯蒂文斯（Stevens）提出，详细内容参见标准ISO 532-A-1975和ANSIS 3.4-1980。它以倍频程带或1/3倍频程声压级数据为基准，适用于具有光滑、宽频带频谱的扩散声场。此方法根据实验得出等响度指数曲线，见图27-12-16。

对带宽掩蔽效应考虑了计权因素，认为响度指数最大的频带贡献最大，而其他频带由于最大响度指数频带声音的掩蔽，它们对总响度的贡献应乘上一个小于1的修正因子，这个修正因子和频带宽度的关系见表27-12-15。

具体的计算方法为：①测出频带声压级（被频带或1/3被频带）；②从图27-12-16上查出各频带声压级对应的响度指数；③找出响度指数中的最大值S_m，将各频带响度指数总和中扣除最大值S_m，再乘以相应带宽修正因子F，最后与S_m相加即可计算响度，用数学表达式可表示为：

　　（27-12-37）

B方法：由茨威格（Zwicker）提出，详细内容参见ISO 543B。使用1/3倍频程作为基础数据，引入特征频带对人耳的掩蔽效应修正，适用于自由声场或扩散声场。由于临界频带对响度计算有很大影响，因此在构造响度模型时，把激励声压级对临界频带率（critical band ratio）模式作为基础，将总响度看作是特征响度临界频带率的积分。可将B方法的计算过程归纳为以下四个步骤。

①求各临界频带的总声压级　人耳的频率选择特性是通过临界频带滤波器来模拟的，由于300Hz以上1/3倍频程与临界频带比较接近，常用其代替临界频带滤波器，对于300Hz以下的低频两者差别较大，解决的办法就是把中心频率25～80Hz、100～160Hz和200～250Hz分别合并为一个临界频带，如表27-12-16所示。

除进行频带修正外，对中心频率f_T小于250Hz的1/3倍频带声压级L_T还需要依据等响曲线表27-12-17进行修正，ΔL为修正值。在以上修正的基础上，得到各临界频带的总声压级。

②求各个临界频带的修正声压级　将第一步计算得到的各频带声压级加上外耳和中耳的传输因子α₀（表27-12-18），即可得到各临界频带的修正声压级L_E。

③求各临界频带的特征响度　根据ISO 532.1975推荐的计算特征响度的计算公式：

　　（27-12-38）

式中，指数e₁为0.25；常数K₁的计算结果为0.0635；L_E为上一步求得的修正声压级；L_HS为静阈值，可根据下式求得：

　　（27-12-39）

④求整个频带的总响度　在Bark域上积分特征响度N'可得到噪声的总响度，即

　　（27-12-40）

另外，在完成第一步工作后，也可以将各临界频带的总声压级等效画在Zwick响度计算曲线（图27-12-17）上，连接各数据点并求出数据点和横轴围成的面积的平均高度，用此高度对照右侧的列线图即可求出噪声的响度和响度级。

（2）尖锐度

尖锐度（Sharpness）是描述高频成分在声音频谱中所占比例的物理量，反映了人们对高频声音的主观感受。影响尖锐度的因素有窄带噪声的中心频率、带宽、声压级和频率包络。

尖锐度的符号是Sh，单位是acum，规定中心频率为1kHz、宽带为160Hz的60dB窄带噪声的尖锐度为1acum。目前，尖锐度计算还没有统一的国际标准，常用的尖锐度计算模型有以下几种。

Zwicker提出的尖锐度模型：

　　（27-12-41）

式中，N为总响度；N'为临界频带z上的特征响度；g（z）为Zwicher依据不同临界频带设置的响度计权函数，其值为：

当z<16时，g（z）=1；

当z≥16时，g（z）=0.066e^（0.171z）。

Aures提出的尖锐度模型：

　　（27-12-42）

Bismarck提出的尖锐度模型：

　　 （27-12-43）

当z<14时，g（z）=1；

当z≥14时，。

（3）抖动度

声音的时域变化可以使人类听觉系统形成两种不同的感觉，即粗糙度和抖动度，这取决于调制频率。当调制频率在20Hz以下时抖动占主导地位，其最大值出现在调制频率为4Hz的时候，调制频率继续升高，波动强度下降。影响抖动度的主要因素有调制频率、调制幅度和声压级等。

用4Hz的纯音对60dB、1kHz的纯音进行100%的幅值调整，此时的抖动度为1vacil。

（4）粗糙度

当调制频率从15Hz上升到300Hz时，人对抖动度的感觉就变成了对粗糙度的印象，调制频率为70Hz时人对粗糙度的感觉达到最大值，随后随调制频率的升高而下降。声音的粗糙特性通常会给人一种不愉快的听觉感受，影响粗糙度的主要因素有调制频率、调制幅度和声压级等。

用70Hz的纯音对60dB、1kHz的纯音进行100%的幅值调整，粗糙度为1asper。

12.3.4.3　主观评价

（1）样本

传统的单通道声信号记录方式不适合声品质评价。为了在主观评价中获得与实际情况相一致的声事件感觉，一般会选择人工头记录数据，再使用专业的回放系统播放。人工头可以对声音事件进行双耳记录，这种记录基本保持了人耳听觉感知的所有特性，尤其是空间听觉特性，这也是在回放中获得正确听觉印象的条件。

（2）评价主体

主观评价实验中的测听者称为评价主体。声品质主观评价结果的优劣和评价主体对评价内容和评价方法的理解程度及主体的综合表现密切相关。因此，主体的选择和培训是主观评价实验结果可靠性、有效性的保证。

评价主体的数量取决于是否需要进行主体的培训及评价实验的难度。理论上主体个数可由测试结果的分布状况及测量精度确定。具体测量时的主体个数只能根据主观评价的经验来确定。研究表明，对于大多数心理声学评价测试，20名主体就已经足够了。

对评价主体的构成考虑三个方面的因素。一是在噪声主观评价方面的经验；二是评价主体对评价产品的熟悉程度；三是主体的结构要符合相应的人口统计学规律（如年龄、性别、文化背景、职业、经济状况等）。

（3）评价方法

主观评价的方法很多，主要有排序法、等级打分法、成对比较法、语义细分法等。

①排序法（Rank order）是最简单的主观评价方法之一。实验要求评价主体针对某个或者几个评价指标（如偏好性、烦恼度等）根据听到的所有声音样本进行排序。声音样本是连续播放的。评价过程中，评价者可以根据自身需要对某个声音样本进行多次重放。然而，由于排序工作的复杂性是随着评价样本数量的增加而增加的，所以样本数量通常比较少（6个或者更少）。该方法的主要缺点是无法给出具体的比例尺度信息，只能得出声音A比声音B更好，但是具体好多少就无从得知了。因此，只有在人们想快速得到某些声音的简单比较结果时才用到排序法。

②等级打分法（Rating scales）是评价者在规定的评分范围内对听到的声音进行打分，常用的是1～10级打分。评价中声音样本顺序播放，且不能重放。因此，该方法简便快捷，可以直接得到评分结果。但是对于没有声学经验的评价者操作起来比较困难。

③成对比较法（Paired comparison methods）又称A/B比较法，它是将声音样本成对播放，评价者据此做出相关评判。由于评判是相对的，而不是绝对的，评价者可以不用顾忌地做出评价，因此成对比较法很适合无经验者使用。但该法的一个缺点就是比较对的数量相当大，因为它是按照样本数量的平方增长的。这就意味着假如有大量的样本，那么评价势必会相当冗长，容易引起评价者的疲劳。

④语义细分法（Semantic differential）是让评价者运用意义相反的形容词对所听到的声音进行等级描述，可以是属性方面的形容词（安静的/响的、平滑的/粗糙的），也可以是主观印象方面的形容词（便宜的/昂贵的、有力的/弱的）。把这些形容词安置在等级的两端，中间使用一些量度性的副词，评价者可以根据对声音的主观感受做出评判。评价等级可以分为5级、7级或者9级。成对比较法关注声音的一个属性（偏好性、烦恼度、相似性等），而语义细分法则可以进行多种属性的评价。

⑤幅值估计（Magnitude estimation）就是主观评价实验中评价主体就声音的某一特性（例如声音的喧闹或者是愉悦程度）给出一个具体的数值。通常情况下对主体所使用的数值范围没有限制。与打分法或语义细分法相比，这种方法的优点是主体不需要考虑评分越界的问题。 而其主要的缺点则是不同的主体可能会给出差异巨大的估计结果。解决这一问题的关键是对评价主体进行良好的培训。起初，主体完成幅值估计这一任务会比较困难，在正式评价之前必须让他们经过一段时期的试验和练习，因此这种方法更适合于那些专家级的评价者。

12.3.5　声成像测试

声成像测试技术可以对设备声辐射进行照相，用图像的方式直观地显示声源的位置和强度，是近年来噪声源辨识领域的研究热点。目前，声成像测试技术已经日趋成熟，工程应用也日益增多。声成像测试技术是基于传声器阵列的测试方法，根据成像原理划分，有近场声全息（near-field acoustic holography，NAH）、波束成型阵列测量（beam forming）等技术。

12.3.5.1　波束成型阵列测试技术

Beamforming是基于传声器阵列的指向性原理的一种声成像技术。该技术假设所需辨识的声源由位于某个已知平面上的一系列非相干的分布点源组成，各传声器的输出乘以相应的时延与权重函数后相加（称为延迟求和算法），从而获得某个特定方向传来的声音。

轨道交通噪声常用的测量传声器阵列形式包括线型阵列，X形阵列，环形阵列， L形阵列，星形阵列，平面阵列，球面阵列等。根据分辨率的要求，所需的传声器数量从十几到几十不等。Beamforming技术重建的分辨率受到最高分析频率对应的声波波长的限制，无法分辨半波长内的声源。Beamforming在测量过程中无需移动传声器阵列，通过适当的数据处理算法可以使传声器阵列聚焦在固定的声源位置，并对需要的声源范围进行扫描获得声源的分布，实现声源辐射成像，适合于分析中高频噪声源的定位问题，尤其适合研究高速运动的噪声源定位，如飞机起飞降落噪声、汽车及轨道列车的通过噪声等。常用Beamforming阵列及其工程应用如图27-12-18所示。

12.3.5.2　近场声全息测试技术

NAH利用传声器阵列在包围源的全息测量面上测量复声压信息，然后借助源表面和全息面之间的空间场变换关系，由全息面声压重建源面或其他重建面处的声场信息，如声压、法向振速及声强等。常见的重建算法有空间傅里叶变换、边界元法、波叠加法及HELS方法等。由于NAH在紧靠声源的测量面上（距离小于半波长）记录全息数据，因而它不仅能接收到传播波，还能接收到随垂直于源面方向上的距离很快衰减的“倏逝波”成分，因此，其重建的分辨率不受辐射声波波长的限制。

NAH采用的传声器阵列有平面、柱面及任意形曲面等面阵列。NAH具有很高的辨识精度，远高于Beamforming技术，但是存在以下缺陷：

①需要很多的测量通道。该技术要求传声器间距小于最高分析频率对应的半波长，同时，要求全息面必须完整的包围源面，当声源尺寸很大，或辐射噪声频率较高时，所需测量通道通常多达数百个。为了减少测量通道的数目，可以采用阵列扫描技术，即采用少数传声器组成子阵列在测量面上逐步移动以完成声压测量，但是，需要寻找合适的参考声源。

②难以分析运动声源。因此，NAH适合于中低频（100Hz～2kHz）的小型或中型非运动声源的精细声学成像，如发动机、压缩机、轮胎、小型飞机机舱等。常用NAH阵列及其工程应用如图27-12-19所示。