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声学测量

/acoustical measurement/
条目作者章汝威

章汝威

最后更新 2023-12-21
浏览 292
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研究声学量的测量的技术。

英文名称
acoustical measurement
所属学科
物理学

声学量测量技术研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的,到19世纪末接收声波的仪器仅有人耳。20世纪初A.G.贝尔发明了用于电话机的炭粒传声器,首次把声波能转换为电信号。60年代使用电声换能器和电子仪器设备,可产生、接收和利用各种频率、波形和强度的声波,解决了声学量的测量,建立了空气和水中的声压基准及有关的标准测量方法。带微处理机的声学测量仪器及新测量技术(如实时频率分析、快速傅里叶变换、相关分析等)的出现,使几天才能完成的测试分析工作现在只需几分钟即可完成。声学测量方法和测量准确度的提高,为近代声学的发展创造了条件。

描述声源及声源产生声场的特性、描述接收声波及分析声波特性和在声学现场中起主导作用的声学量为主要量。

表1所列的声学主要量声压最基本,也最易测准。声场若为自由场时,声强、声功率可按一定的理论关系由声压导出,但对复杂的声场这些量间的关系较为复杂,需要独立测量某一声学问题选用哪个声学量来分析问题,这应视具体情况而定。

表1 声学中的主要量   
声学量单位
名称符号名称符号
频率
Hz
声压
Pa
声速
米/秒m/s
声功率
W
介质的声特性阻抗
帕·秒/米Pa·s/m

实际生活中声音强度的变化范围非常大。如人耳刚能听到的声音的声压为2×10−5帕,而宇宙飞船推进器的声压约为105帕,变化范围可达1010量级。人类听觉对声信号强弱刺激的反应不是线性的,而成对数比例关系。为表示方便,引入了物理量某个量的级。声学量的级定义为:声学中一个量与同类基准量之比的对数。对于不同声学量,对数的底、基准量和级的类别必须加以说明。与声学量有关量的级,如压谱级、声级、噪声级等的基准值可根据该量的定义和表2中列出的有关量的基准值来确定。

表2 主要声学量的级和基准值   
名称定义基准值
声压级空气中:
水中:
振动速度级





振动加速度级





振动位移级





力级





声功率级





声强级





声能密度级





能量级





自由场[电压] 灵敏度(级)空气中:
水中:
注:表中级的单位为贝[尔](B),常用分贝(dB),1dB=0.1B。

声学测量的首要问题是要选择符合测量要求的测试环境,最常用的声学测试环境是自由声场和扩散声场。

均匀各向同性介质中边界影响可忽略的声场。声波在自由声场中可不受任何干扰地传播,因而能对被测对象的声学特性作准确的测量。理想的自由声场很难实现,只能获得满足一定测量误差要求的近似自由声场。如地面反射声和噪声可忽略的高空,气象条件适宜时可认为是自由场;宽阔的广场或田野,除地面反射外上方是半无限空间,可认为是半自由声场。人工设计的消声室可获得室内自由声场。水声测量中,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,都可作为自由声场。在有限空间测试电声器件或换能器声学特性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,以获得自由声场条件。

能量密度均匀、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,其设计要求是尽量加长空室的混响时间,保证室内的声扩散状态。混响室内当声源连续稳定地发射一定频谱的声波时,声场各点的平均能量密度应当相等,各点从不同方向来的平均能量流也应当相等,各个方向到达某点的声波之间的相位是无规的。满足这三个条件的声场即为扩散声场。

声学测量中常用的测试信号有纯音、白噪声、粉红噪声、脉冲和猝发声等。

声学测量时,不管测试系统如何复杂和先进,都可归纳为接收设备、分析设备和读出设备。

在空气中是传声器,在水中是水听器(又称水下传声器);对超声频是超声波接收器;测量振动时是拾振器。

主要功能是:将接收器输出的微弱信号放大;将信号由时间域转变到频率域进行频谱分析;经过模数转换,将模拟信号转变为数字信号进行信号处理。分析设备主要是放大器、频谱分析仪和微处理机等。

声和振动测量的读出设备是相同的。最常用的是用指针指示输出数据,如表头读数;也有将输出以几何图形的形式描画出来,如声级记录仪器和X–Y记录仪;数字式仪器可直接用数字显示测量结果或由数字打印机打出,也可通过接口输入计算机,用磁盘或光盘储存。

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