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声学计量

/acoustic metrology/
最后更新 2024-01-06
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关于声学测量的学科。是在声学领域内研究计量单位统一和量值准确可靠的计量学分支。

英文名称
acoustic metrology
所属学科
仪器科学与技术
创建时间
20世纪

声学计量的基本任务是研究复现、保存和传递声压、声强、声功率等声学基本参量。按照声波的传播媒质、频率和应用领域的不同,分为电声计量(空气声计量)、超声计量水声计量听力计量等。

中国古代曾将声音定义为度量衡的根本标准,这可能是古代社会重视“礼乐”,常用律管吹出的音频与尺寸相互核对之故(图1)。17世纪初人们尝试测量空气中的声速,但由于条件所限,直到19世纪中叶才正确地测定了空气中的声速。

图1 竽律管图1 竽律管

现代声学计量始于20世纪,是随电学技术的发展而发展起来的。首先发明了用瑞利盘测定平面行波中的声质点速度,建立了声压的测量;随后又发明了用光干涉法测量声强和热致发声器标准声源等技术。声学计量的飞速发展始于传声器的发明,这使得空气中声压的测量成为现实。互易校准技术的实现使得声压能准确地复现在实验室标准传声器和标准水听器上。

消声室(图2)、消声水池、声级计等声学计量设施与仪器的问世,又使声学计量步入一个蓬勃发展的阶段,基本能够解决工业与生活中的诸多声学测量问题。

图2 消声室图2 消声室

声波传播的弹性介质可以是气体、液体和固体,人们日常遇到的声学现象及其应用,基本都发生在上述三种介质中。从描述流体中声波最基本的波动方程来看,声学量有声压p、质点速度u和声速c;从能量的观点来看,有声强I、声功率W等。表中给出的是声学中的基本量及其相互关系。

声学中的基本量及其相互关系

声学量

单位

量间的关系

名称

符号

名称

符号

一般情况

自由场平面行波

声压


帕[斯卡]

Pa


质点

速度


米每秒

m/s


声强

瓦每平方米

W/m2


声功率


W


声速

米每秒

m/s

*表中ρ为介质密度,S为声源或测量表面的面积

由于声压最容易准确测定,故在空气声和水声中,都确定声压为基本量。复现和保存声压单位,即建立国家声压基准是声学计量的主要任务之一。此外,有些声学现象和效应,特别是超声,与声能量有直接的关系,此时直接测量声强或声功率更有意义,故声功率也常作为超声的基本量,即要求建立超声功率国家基准。

声速也是声学中一个很重要的量,但与声压、声功率等不同,它只与介质的物理性能有关。另外,还有一些声学量对描述某些声学现象和材料非常有用,例如,材料的声衰减系数、反射系数、透射系数、散射系数等都是描述材料声学性能的重要参数。

中国的声学计量起步于20世纪60年代中期,为解决环境噪声的计量问题,建立了耦合腔互易法声压基准;70~80年代,为保证听力损失测量和噪声测量的准确性、医用超声诊断设备的安全性,相继建立了气导听力零级基准、骨导听力零级基准、自由场互易声压基准、毫瓦级和瓦级超声功率基准等。80年代中后期,根据国防领域水声测量需求,先后建立了低频、中频和高频水声声压基准。到21世纪初期,中国的声学计量已由起始阶段的电声计量,发展到涵盖超声计量、水声计量和听力计量等诸多学科方向,为声学测量建立了较完善的计量溯源体系。截至2017年,中国已建立了国家声学计量基准装置12项,通过定期参加由国际计量委员会声学、超声和振动咨询委员会(CCAUV)组织的国际关键比对,确保中国声学量值同国际上保持一致。

声学计量领域的计量器具,主要包括空气声计量中的传声器、标准声源、声级计、声校准器等,超声计量中的超声功率计、高频水听器、超声换能器等,水声计量中的水听器、水声换能器等,听力计量中的听力计、仿真耳、仿真乳突等。

声学计量具有极强的交叉性和延伸性,在环境监测、大众健康、国防安全等领域的应用越来越广泛。环境噪声监测、医用超声诊疗、工业超声无损检测、国防安全中的水声探测等,都需向国家声学计量基标准溯源,以实现国际接轨和国际互认。

声学计量服务领域不断扩大,噪声计量、听力计量、工业和医用超声计量、水声计量所涉及声学参量的频段、量程、声场指标都有较大幅度的提高,声学计量正面临新的技术变革和挑战:①声压量值复现新方法的研究。新的声压量值复现方法利用激光干涉测量技术,通过非接触测量声场中质点的振动速度复现声压,将替代互易校准技术中将量值复现在实物换能器上的间接量值复现方法,更加符合国际计量领域量子基准替代实物基准的发展趋势,可以实现对气、液、固体介质中各种规格声学传感器的高水平原级校准。②宽频段、大量程等声学测量问题的挑战。随着现代工业、医学等领域的发展,声学测量领域的需求更具挑战性。空气声计量的频率范围覆盖到次声和超声频段、动态范围上限从140分贝拓展至179分贝甚至更高;超声声压的频率范围扩展到上百兆赫兹,超声功率范围延伸至数百瓦,超声声场从传统的平面波、线性声场发展到高强度聚焦、非线性声场;水声计量由常温常压下的校准发展至变温变压、校准对象由容易满足互易的压电传感器发展到光纤传感器、换能器形式由单阵元换能器发展到各种阵列换能器。上述声学测量问题的提出与解决,将会进一步推动工业与医学相关领域的发展。

  • BACON D R.Primary calibration of ultrasonic hydrophone using optical interferometry.IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control,1988,35(2).

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