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声学基础知识讲座,声学基础知识,1. 声波的描述2. 声级的定义3. 声级的相加4. 声级的相减5. 噪声的频谱分析,声学基础知识,声学基础知识,机械振动是声波产生的根源 弹性媒质是声波传播的必要条件 声波在空气和液体中为纵波， 在固体中传播可能是纵波也可能是横波 例子：固体振动产生声波：喇叭，振动平板，锣，鼓，冲压钢板 气流产生声波：笛子，高压气流，喷气发动机 应用：扬声器、传声器,声波的描述,声学基础知识,声波的描述,声压：由振动引起的介质压力在平均压力的基础上面变化的部分,一般定义：,其中： 为声压，单位是帕(Pa)，在空气中研究的声压范围一般在10-5106Pa之间,显然，媒质中任一点的声压都是随时间变化的，每一时刻的声压称为瞬时声压，而某段时间内瞬时声压的均方根值称为有效声压,一般的，如果没有特殊说明，声压都指有效声压,声学基础知识,声速： 声波在弹性媒质中的传播速度，由媒质的弹性，密度， 温度等因素决定，与振动的特性无关。,一般定义：,空气中声速：,取室温：340m/s,声波的描述,频率：通常噪声都是由多种频率组成，用表示,：次声波20Hz可听声20000Hz超生波,波长、频率、声速的关系,声学基础知识,声波的描述,声能量：声波在声场中产生的总能量,声功率：声源单位时间辐射的声能量，用 表示，单位为瓦。 指声源总功率中以声波形式辐射出来的一小部分功率。 空气声研究的范围一般在10-12109w,声强：单位时间通过垂直声波传播方向的单位面积的平均声能量 为矢量，具有方向性，用 表示。一般的，某点声强可 以表示为该点声压与其质点速度之积,声学基础知识,声级的定义,实际应用中描述声波的强度性质所用的物理量 参数变化范围太大，用绝对值来描述很不方便 比如：1000Hz纯音，人耳听阀到痛阀：210-520Pa 人耳对声音强度的响应接近于对数关系,声压级：单位 分贝（dB）声强级：单位 分贝（dB）声功率级：单位 分贝（dB）,P0=210-5Pa,I0=110-12w/m2,W0=110-12w,声学基础知识,声级的相加,两种情况： 声压叠加 声能叠加,06+dB,相干声源：空间产生相加或相消的干涉现象,不相干声源：大部分情况下，能量直接相加,3+dB,声学基础知识,声级的相减,室外两个声源S1，S2，对于某一测点P，S1,S2同时发声测得声压级为LP，关闭S1，只有S2声测得声压级为LP2，关闭S2，只有S1发声时声压级会是多少？,背景噪声问题（important),实际的测量中，L=L总-L背景 10dB时，可以不考虑背景噪声认为测量值即声源产生的声压级,一般的，在大多数的声学测量中都需要测量背景噪声,这时声源产生的声压级为：,声学基础知识,频率分析的用处 噪声控制 主观感觉 噪声源鉴辩 降噪计算 可听声的频率范围： 20 Hz 20 kHz 倍频程和 1/3 倍频程 频段太宽 人耳对声音频率的分辨率也是符合对数规律， 等比带宽 称为1/n倍频程 窄带分析FFT，APS，CPS，更细致的频谱分析，线性,噪声的频率分析,声传播规律,1. 声波的反射，折射，散射和绕射2. 点声源， 线声源和面声源3. 声波随距离衰减4. 空气的吸声5. 声屏障,声传播规律,声波的反射、折射,声波的反射，折射反射系数透射系数,反射系数小的材料成为吸声材料透射系数小的材料称为隔声材料,声传播规律,声波的散射,声传播规律,如果障碍物表面很粗糙（表面起伏比波长大）又或者障碍物得到大小和波长差不多，则声波入射时，会产生各个方面的散射,注意省略入射问题！,声传播规律,声波的干涉、衍射,干涉：振动的叠加产生干涉，驻波，定波现象衍射：声波绕过障碍物而使传播方向改变的现象，波长于障碍物的大小比值越大，衍射越严重。而高频声遇到大障碍物，就会在障碍物后产生阴影区,缝隙会大大降低低频声的隔声效果声屏障对高频声有较好的降噪效果，而对低频声效果就差,声传播规律,点声源,点声源的定义点声源的传播规律,对于理想点声源，在自由空间中，它向周围媒质（均匀、各向同性）辐射球面声波。当声源以稳定的功率W辐射时则到距离声源中心为r的球面上任一点的声强I 为：,声传播规律,计算从距离r1传播到距离r2时的声强级或声压级衰减量,点声源,声传播规律,线声源,线声源的定义 严格意义上的很少：长火车、公路上的长车队，输气管道 连续点声源， 不相干性,声传播规律,当线声源的长度远远大于接收点与声源的距离时，传播特性将只与接收点与线声源的垂线距离有关。且此时衰减量满足,线声源,声传播规律,面声源,面声源的定义 车间内声波透过避面向外传播，大型机器设备振动表面 连续点阵列 不相干性,声传播规律,接收点在一个面声源内部时，噪声级为一个恒定的值，而在面声源外部，随着距离的增加，传播特性将逐渐向点声源靠拢,面声源,声传播规律,声波在空气中传播时，一部分声能将转化为热能而损耗。 损耗的大小与声波频率、温度、相对湿度及气压都有关系。 分子驰豫吸收，改变声速、吸收声能 国际标准：曲线，表格数据(需要插值）,空气的吸声,声传播规律,声屏障,声传播规律,声屏障,声波遇到声屏障，将产生反射、透射和衍射三种传播现象，实际上，一般的，声屏障都有足够的隔声效果，所以主要考虑的是声衍射屏障的附加衰减与d和频率有关声传播路径增加d=源到屏障+屏障到接收点-源到接收点,噪声的主观感觉,噪声的主观感觉,1. 噪声的定义2. 人耳与听力3. 听力特性- 频率， 振幅和时间4. 等响曲线5. 计权 声级的定义6. 声质量简介,噪声的主观感觉,Noise is defined as unwanted sound. 不想听到的声音.,噪声的定义,噪声的主观感觉,人耳与听力,人耳分为：外耳、中耳、内耳 外耳起阻抗匹配的作用，使更多的声音能够进来。2020k Hz 响度最灵敏的频率在25Hz 中耳连接外耳的空气振动与内耳的液体振动声传递滤波功能,噪声的主观感觉,听力的特性：频率、振幅和时间,人耳对声音的感觉不仅与声压有关，而且与频率也有关，也就是说，声压级相同而频率不同的声音，听起来会不一样响！ 响度的定义，比如一个声音听起来和40分贝1kHz的纯音一样响，则整个声音就是方(phon) 振幅，声音的强度，与频率无关 较强噪声环境下(80dB以上）暴露，会出现听力暂时下降,噪声的主观感觉,等响曲线,记录不同频率下的纯音同等响度下的声压级曲线,噪声的主观感觉,等响曲线,噪声的主观感觉,计权声级,人耳对不同频率的声音反应不同使声压级不能反映人的主观反映根据等响曲线，选择几条有代表性的曲线，设计计权网络,计权网络方等响曲线的倒置，模拟人耳对低强度噪声的感觉计权网络方等响曲线的倒置模拟人耳对中等噪声的响度感觉计权网络方等响曲线的倒置模拟人耳对高强度噪声的响度感觉,实际应用中，声级对强和弱的噪声都比较能够反映人的主观感受同时，与人耳的损伤程度也对应的很好。、基本不用,噪声的主观感觉,计权曲线,噪声的主观感觉,声级,计权后的声压级和人耳对声音的反映一样，可以表征声音的主观大小,倍频程衰减级,评价声音的强弱十分复杂，要考虑绝对大小，频率，以及持续时间等等，一般的，分成两类基于响度（声音的大小）基于噪度（人对这个声音的烦躁度）,噪声评价量,最简单的就是A声级，目前应用最为广泛对于稳态声音，一般直接测量A声级对于非稳态声音，测量等效A声级，即长时间测量结果的一种时间上的平均,噪声的主观感觉,噪声的主观感觉,声质量,声音的大小不是声品质的唯一评判标准 对人所感受到声音的质量进行研究仪器只能测量声音的物理量测量的物理量与人的感觉不可知声质量的研究即建立两者的联系，是心理声学的范畴 psychoacoustics目前没有国际标准,产品的声音可以被分成三类：1被动声：产品被碰触时发出的声音，如开关车门的声音。这类声音往往影响到用户对产品的第一印象。2运转声：产品长期稳定工作时发出的声音，如发动机运转的声音。3信号声：产品告知用户将要执行某项功能或某项功能已经完成的声音，如手机开机或按键的声音。对不同类型的声音，评价标准也不同，如运“转声要”尽可能不让用户感到厌烦，而“信号声”则要尽可能的引起用户的觉察。总而言之，声品质是产品质量的重要表现，会影响用户对产品整体质量的判断。,声质量分类,噪声的主观感觉,Loudness 响度 （单位 sones) Sharpness 尖锐度 （单位 acum ） Roughness 粗糙度 （单位 asper ） Fluctuation Strength 抖动强度 （单位 vacil ）,声质量研究：客观评价量,噪声的主观感觉,噪声的测量,噪声与时间的关系常用噪声评价量 噪声测量的仪器工业企业噪声卫生标准 环境噪声标准 工业产品噪声标准 建筑声学测量标准,噪声的测量,噪声的测量,噪声与时间的关系,一般的，声音都是变化，dB就可以认为是稳态噪声，且不含显著的纯音成分测试根据声源的随时间变化情况，而有不同的测试方式及参量,噪声的测量,常用噪声评价量,A声级,等效连续A声级,暴露声级,累计百分比,噪声的测量,1. 传声器2. 前置放大器3. 信号传输方式4. 信号处理仪器5. 声学测试实验室,噪声测试的仪器,传声器,将声信号转换成相应的电信号的声电换能器类型：压电式、电容式、动圈式、驻级体式声学测量要求：灵敏度高、频响要宽，动态范围大，随环境条件变化小自由场，压力场,噪声的测量,前置放大器,传声器的信号微弱电容式传声器，电阻太大，需要阻抗匹配与传声器一体,噪声的测量,信号传输方式,模拟信号 平衡输入，非平衡输入 BNC、TNC，LEMO头等数字信号 抗干扰能力强,噪声的测量,信号处理设备,声级计 0型(0.4dB)、I型(0.7dB)、II型(1dB)、III型(1.5dB),Microphone,Preamplifier,Display,Weighting Net,Range Control,Detector,一般流程方框图,噪声的测量,信号处理设备,其他声级计积分式声级计脉冲式声级计频谱声级计数字型，DSP技术,选购要考虑的因素：精度计权测量参数频谱分析内存大小与计算机接口价格服务,噪声的测量,信号处理设备,多通道数采大多采用数采与分析分离，利用电脑进行数据分析，对软件依赖性越来越大。硬件：通道数 软件：根据需要 最大采样率 传输方式速度 本底大小 同步性 便携性 稳定性,噪声的测量,声学实验室,两大类：消声室，混响室 消声室：声功率测量、噪声源分析、音响特性 混响室：声功率测量、吸声、隔声 混合使用：比如汽车门窗隔声 性能：频率响应、本底噪声 消声室造价相对昂贵,噪声的测量,声学实验室：消声室,两大主要功能：提供自由声场或者半自由声场 较低的背景噪声,噪声的测量,噪声的测量,声压级,对特定声源在特定运行下声功率级是恒定。声压级是随距离衰减。声功率级与声压级之间没有简单的关系单位： dBA,噪声的测量,声功率级,声功率级是衡量声源发声能力。声功率级与声源的安装位置，环境无关。声功率级有利于不同厂家的产品的比较单位： dBA,噪声的测量,标准要求人的感觉是与声功率无关人的感觉是与声压级直接相关方便测量，可以在线测量,为什么要测量声压级、声功率级？,标准要求在实验室测量到的声压级与现场测量到的声压级是不同的相同产品的比较声功率级可以用于计算声压级 测量复杂，要求设备高，且需要换算,噪声的测量,声压级的测量方法,在特定的测量环境下 在离声源一定的距离，一定角度 单点，用声级计可直接测量声压级，单位 dBA 多点，多通道数采。同时测量几点的声压级,噪声的测量,声功率级的测量方法,声功率级无法直接测量 一般需要在特定的测量环境下 测量合适位置的声压级、声强级，经过运算获得,ISO 3740 -3747 系列 声功率测量通用标准 ISO 11200-11204系列声压级测量通用标准 ISO 6926 标准声源的要求 ISO 7779 针对计算机和通讯设备的测量标准 ISO 9295计算机和通讯设备高频噪声测量标准 ISO 9296计算机和通讯设备噪声标称值标准 ETS 300 753 欧洲通讯设备测量标准和限值 GR-63-CORE: 美国的Bellcore 公司的限值标准ECMA TR/27 : 从声功率计算声压级的方法,一些噪声测量标准,噪声的测量,GB6881-86 噪声源声功率级的测定 混响室精密法和工程法GB6882-86噪声源声功率级的测定 消声室和半消声室精密法GB/T16404-96 声强法测定噪声源的声功率级第一部分：离散点上的测量GB/T16404.2-99 声强法测定噪声源的声功率级第一部分：扫描测量GB/T16538-96 声压法测定噪声源声功率级 使用标准声源简易法GB4214-84家用电器噪声声功率级的测定GB/T 4214.1-xxxx eqv IEC 60704-1 声学 家用电器及类似用途器具噪声测量方法GB 10069.2-88 旋转电机噪声测定方法及限值噪声简易测量方法,一些噪声测量标准,噪声的测量,通用标准 ISO 3740系列 ，11200 系列 等,产品标准,产品标准,产品标准,限值标准,限值标准,计算方法标准,噪声的测量,ISO 3741 混响室中测定宽带声源的精密法 ISO 3742 混响室中测定离散频率和窄带声源的精密法ISO3743 专用混响室的工程法标准偏差 2.0dB,噪声测量标准：混响室法,噪声的测量,墙面的吸声系数 波长/2，或移动传声器,噪声测量标准：ISO3741 混响室法,其中，Lp：测量平均声压级 T：混响室混响时间 V：混响室体积 S：混响室表面积 P0：大气压 ：频带中心频率波长,噪声的测量,精密法计算公式：,ISO 3744 工程法，户外或室内1.5dB ISO 3745 精密法，消声室和半消声室, 1.0 dB ISO 3746 调查法, 3.0 dB,噪声测量标准：ISO3744-3746 声压法,场地要求 包络面选取 多点声压级测量（全消：20点，半消10点，9点）声功率级计算得到（平均声压级+包络面）,噪声的测量,计算公式：,声功率的计算,其中：,S为包络面的面积 S0 =1m2,Si为各传声器占有的面积，一般都认为是相等的C为温度和气压修正值，一般情况下忽略,噪声的测量,利用已知声功率的声源 标准声源位置：替代法，置顶法，并列法 测量设备和标准声源分别在规定测点的声压级,声功率的测量：标准声源法,计算公式：,噪声的测量,声功率的测量：ISO3745最新标准（2003）,消声室半消声室精密法全消：20点，位置与以前标准稍有区同，更好的平均分配球体面积半消：20点，位置与以前大为不同，（无迹可寻，按标准坐标定点）上面两种方式，声场不均匀需要更多的测点：任何频段在各点的最大与最小值的差值测点数/2，否则，另增20点单个传声器移动：同心圆，子午线、螺旋线,噪声的测量,噪声控制技术简介,噪声源的分类及特性 噪声源的识别 噪声控制技术,噪声源的类别,向外辐射噪声的振动物体成为噪声源声源的振动辐射特性声源强度辐射效率声辐射的频率特性声源指向性声源的辐射阻抗,噪声源的分类及特性,机械噪声,撞击噪声：冲床、锻锤、汽锤等；振动能一部分以声波形式向四周空间辐射周期作用力激发的噪声：旋转机器的作用力，比如动态不平衡所引起的周期力，受迫振动。摩擦噪声：摩擦引起的摩擦物体的张弛振动所激发的噪声,机械振动系统的受迫振动和固有振动引起的噪声为机械噪声，主要作用为固有振动。称其为结构噪声,噪声源的类别,空气动力学噪声,高速气流、不稳定气流以及由于气流与物体相互作用产生的噪声，称为空气动力学噪声,按产生机制和特性，有：喷射噪声：气流从管口高速喷射产生的噪声涡流噪声：气流流经障碍物时，一定速度的气流与障碍物背后的相对静止的气体相互作用，产生跳变压强。比如狂风吹过树林的呼啸声旋转噪声：空气动力机械旋转时与空气相互作用而连续产生压力脉动，从而辐射噪声，称为旋转噪声。周期性进排气噪声：周期性排放高温高压废气，是周围空气的压强和密度不断受到扰动而产生噪声。燃烧噪声：燃烧过程产生的噪声，随机变化的燃烧单元产生强度较大的压强脉冲，从而向外辐射声波，一般称为燃烧吼声激波噪声：压强极高的压缩波在介质中传播,噪声源的类别,风扇噪声特性,周期力产生的结构噪声旋转噪声,增加叶片数目减少有效谐波数增加叶片尖端速度，旋转噪声越大，且谐波噪声成分增强速度大于基频,谐波频率：,噪声源的类别,传递路径分析范例,噪声源的识别,噪声的控制,积极治理：声源上和振源上采取措施，把噪声和振动降至最低消极治理：在噪声和振动的传播路径上采取隔声、吸声、消声、隔振、阻尼减振等措施,噪声控制技术,噪声源的声压级和频谱噪声源的声功率和指向性噪声传输的途径噪声源所处的声学环境评价参数和评价指标的选择需要控制的噪声降低量有关振动源的相应问题，如加速度级和频谱，需要控制的减振量,噪声振动控制考虑的因素,噪声的控制,材料：吸声材料隔声材料振动阻尼材料隔振材料,常用材料和结构,结构消声器吸声结构隔声结构隔振系统,噪声的控制,吸声降噪,在噪声传播途径上进行控制 吸声处理只能降低反射声的影响，对直达声无能为力，一般不超过10dB 吸收系数反映吸收材料吸声能力的好坏，一般指无规入射的吸收系数 一般六个频率下的吸收系数，125,250,500,1000,2000,4000Hz,取算术平均值为单一指标表征量 最后的效果与吸收系数，面积，分布都有关系,噪声的控制,隔声降噪,利用隔声材料和隔声构件隔离或者阻挡声能的传播声音传播的途径不同，隔绝方式也分两种：空气声，结构声隔声构件可是单层的也可以是双层或多层的,噪声的控制,隔声降噪,隔声构件的选用：1，按要求确定隔声构件的形式2，隔声构件的隔声量要大于计算所得的“需要隔声量“3，按“等传声”原则选择墙，门，窗及顶板等构件4，核算隔声构件的共振频率和临界频率5，应按照声源不同的频谱特性，有针对性的选择隔声构件6，合理估算隔声构件通风散热量和换气次数7，隔声构件应坚固耐用，外观漂亮，价格合理,噪声的控制,振动产生噪声。振动控制通噪声控制，从三方面着手。1，振动源控制，清除或减小振动源产生的振动2，切断和抑制从振动源向外界的振动传递3，防止振动物体和结构共振最主要的：隔振主动 隔源被动 隔接受体,结构声控制：振动控制,噪声的控制,隔振材料：隔振器：弹性支撑元件隔振垫层：直接铺设到基座下面管道扰性接管：防止振动从管道传出的设备其他隔振元件：弹性吊钩，托架，油阻尼器等,振动控制,噪声的控制,振动控制,隔振材料的选取：1，按隔振系统的性能指标选择隔振器2，考虑频率范围，隔振系统的固有频率与扰动频率之比应小于0.73,考虑隔振器的静载荷及动载荷：静载荷为允许值的90%,静动载荷之和不超过最大允许载荷4，使用环境条件，年限等,其他噪声控制,有源降噪,录音 根据声音特点设置延迟回放 适用场所特殊：一般为封闭环境 适用频率窄,设计与制造过程中减少噪声的措施（可能矛盾，需具体考虑）降低机器功率降低速度降低螺旋桨顶端的速度改进动转时的动平衡降低旋转质量与固定质量之比减少轴的公差，改进静平衡，动平衡避免结构共振消除或降低撞击降低加速度峰值改进润滑减少轴承和可动部分的公差与间隙，并准确定装轴承改进机器调整,机器噪声控制,噪声的控制,机器采用重心安装在工作速度和侧向、转动共振速度间保持合适的隔离从声学观点来设计螺旋桨形状在流体通路上除掉或减小任何障碍物，弯头突然变化降低通路内流速降低喷口速度减小大的声辐射面使声辐射面与其他振动部分不连接在往复式机器中降低公差，活塞重量和连接杆重量，降低活塞的撞击噪声采用消声器机器安装在合适的基础上改变噪声辐射的指向性,机器噪声控制,噪声的控制,更多情况，直接隔离隔离机器隔离人,机器噪声控制,噪声的控制,噪声控制办法,噪声的控制,谢谢！,