機械工程測試技術(shù)（第2版）課件：噪聲的測量

噪聲的測量機械工程測試技術(shù)（第2版）MechanicalEngineeringTestingTechnology學習導航12.1聲音的特征(NoiseCharacters)12.2基本聲學參數(shù)(PrincipalParametersofNoise)12.3噪聲的頻譜分析(NoiseSpectrumAnalysis)12.4噪聲的主觀量與評價（SubjectiveParametersandEvaluationof)12.5噪聲測量儀器(MeasureInstrumentsofNoise)12.6噪聲測量技術(shù)(NoiseMeasurementTechnology)12.7機床噪聲測量實例(NoiseMeasurementPracticalUseofLath)知識導圖聲音是以縱波形式在介質(zhì)中傳播的聲波。聲源的振動形成了聲壓，噪聲測量就是將聲壓信號變換為相應的電信號。聲音的分類：

聲波

：20～20000Hz

，人耳可以聽到。

次聲波

：低于

20Hz。

超聲波

：高于

20000Hz

。噪聲，不規(guī)范的、間歇的或隨機聲振源產(chǎn)生的聲音。當聲波（soundwave）在空氣中傳播時，空氣質(zhì)點被迫在原位置上沿傳播方向作振動，空氣密度因此發(fā)生周期性疏密變化，空氣壓強也隨之增高和降低。因此，聲波是一種疊加在大氣壓力上的壓力波，聲壓是大氣壓力的一種附加變化量。聲波的頻率、周期T、波長和聲速c的關(guān)系是：12.1聲音的基本特征12.1聲音的基本特征聲波傳播的區(qū)域稱為聲場。當傳播時不受到任何阻礙，無反射現(xiàn)象存在，這種聲場稱為自由聲場。當傳播時只受到地面的反射，其它方面不受到任何阻礙，則這種聲場稱為半自由聲場。如果聲波在聲場中受到邊界面的多次反射，使得聲場中各點的聲壓相同，這種聲場稱為擴散聲場（也稱為混響聲場）。12.1聲音的基本特征12.2基本聲學參數(shù)

12.2.1聲壓與聲壓級

聲壓是聲波在某點的壓力與大氣壓力之差值，單位為帕(Pa)，1Pa=1N/m2。在空氣中，正常人剛能聽到的1000Hz聲音的聲壓為2×10-5Pa，稱為聽閾聲壓，并規(guī)定為基準聲壓，記為p0。當聲壓為20Pa時，能使人耳開始產(chǎn)生疼痛，稱之為痛閾聲壓。聲壓級是一個相對比較的無量綱量。相對于聲壓P的聲壓級定義為：(dB)0dB并不表示沒有聲音，而是表示所考查的聲壓和基準聲壓相等。12.2基本聲學參數(shù)圖

典型聲壓源的聲壓和聲壓級值12.2基本聲學參數(shù)12.2.2聲強和聲功率聲強是在傳播方向上，單位時間內(nèi)通過單位面積的聲能量，記為I，W/m2。在自由場中，與聽閾聲壓相應的聲強是，并以此值作為基準聲強，取聲強與基準聲強比值常用對數(shù)的10倍來表示，稱為聲強級。

12.2基本聲學參數(shù)對于一個球形聲源，傳播中無障礙，無能量損失，聲壓pa=常數(shù)，距聲源r1和r2處的聲強分別為I1和I2

，則有：顯然，兩點聲強之比，等于它們與聲源距離平方之比的倒數(shù)。即：12.2基本聲學參數(shù)12.2.3聲功率及聲功率級

聲功率(W):

聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的總能量，單位為W;聲功率級(Lw):聲功率(W)與參考基準聲功率W0(取W0=10-12W)的比值常用對數(shù)的10倍來表示，聲功率級LW（單位為dB）（dB）12.2基本聲學參數(shù)聲功率是聲源在單位時間內(nèi)發(fā)射的總能量，記為W，W。一般聲功率不能直接測量，要根據(jù)測量的聲壓級換算。一些會話與樂器輸出聲功率的近似值聲源峰值功率/W聲源峰值功率/W男聲會話2×10-3女聲會話4×10-3單簧管5×10-2低音提琴16×10-2鋼琴27×10-2管樂器31×10-237×36in225.0低音鼓75件樂器70~100的交響樂12.2基本聲學參數(shù)12.2.4聲功率級、聲強級和聲壓級的合成

I=I1＋I2＋…＋In

W=W1＋W2＋…＋Wn在現(xiàn)場環(huán)境中，噪聲源往往不只一個。兩個以上相互獨立的聲源，同時發(fā)出來的聲功率和聲強可以代數(shù)相加，即若用級表示，則總聲功率級為：總聲強級為：12.2基本聲學參數(shù)如果從n個聲源發(fā)出的噪聲(或是由同一聲源發(fā)出的噪聲頻譜中的各頻率成分)相互獨立，則合成噪聲的總聲壓P為：12.2基本聲學參數(shù)n個噪聲級相同的聲源，在離聲源距離相同的一點所產(chǎn)生的總聲壓級：12.2基本聲學參數(shù)當兩個噪聲級L1和L2同時作用，且L1>L2時，從噪聲級L1到總噪聲級L的增加值：如果兩個噪聲中的一個噪聲級超出另一個噪聲級的6～8dB，則較弱聲源的噪聲可以不計，因為此時總噪聲級附加值小于1dB。12.2基本聲學參數(shù)例12-1若某點同時作用三個聲壓級：

，

求該點的總聲壓級。解：先合成80和85dB兩聲壓級。兩者級差查表噪聲合成時聲級的增加值兩者合成聲壓級再合成和

查表噪聲合成時聲級的增加值總聲壓級為

12.2基本聲學參數(shù)12.3噪聲的頻譜分析聲源做簡諧振動所產(chǎn)生的聲波為簡諧波，其聲壓和時間關(guān)系為一正弦曲線，這種只有單頻率的聲音稱為純音，樂器可以發(fā)出純音。而由許多頻率純音所組成的聲音稱為復音，組成復音的強度與頻率的關(guān)系圖稱為聲頻譜（SoundSpectrum），簡稱頻譜。離散譜，例如樂器聲譜，其中除了頻率最低、聲壓最高的基頻音外，還有與基頻成整數(shù)倍的較高頻率的泛音。12.3噪聲的頻譜分析

鑼聲、鼓風機的聲音頻譜，既有連續(xù)的噪聲譜，又有線譜，二者混合，形成有調(diào)噪聲混合譜。分析有調(diào)噪聲時，應特別注意頻譜中較為突出的頻率成分。噪聲是由許多頻率不同的成分組合而成，其頻譜中聲能連續(xù)分布在寬廣的頻率范圍內(nèi)，成為一條連續(xù)的曲線，稱為連續(xù)譜。

對于寬廣連續(xù)的噪聲譜，很難對每個頻率成分進行分析，而是按倍頻程和1/3倍頻程等劃分頻帶。

噪聲的頻譜分析是按一定寬度的頻帶來進行的，即分析各個頻帶對應的聲壓級。

此時的頻譜是不同的倍頻帶與倍頻帶級即聲級的關(guān)系。12.3噪聲的頻譜分析噪聲按頻段的分類：低頻，350Hz以下；中頻，350～1000Hz；高頻，1000Hz以上

機械噪聲測量和分析項目中最主要的是噪聲頻譜，噪聲頻譜表示一定頻帶范圍內(nèi)聲壓級的分布情況，頻譜中各峰值所對應的頻率（帶）就是某種聲源產(chǎn)生的，找到了主要峰值聲源，就為噪聲控制提供了依據(jù)。12.3噪聲的頻譜分析12.4噪聲的主觀量與評價

可聽聲對人產(chǎn)生的總效果除了聲壓、聲頻率之外，還有聲音持續(xù)時間、聽音人的主觀情況等。人對高頻聲波敏感，對低頻聲波遲鈍。為了把客觀存在的物理量和人耳感覺的主觀量統(tǒng)一起來，引入綜合聲音強度的指標響度和響度級。12.4噪聲的主觀量與評價12.4.1純音的等響曲線、響度及響度級

聽閾和痛閾都是在1000Hz純音條件下定義的量。當聲音的頻率發(fā)生變化時，聽閾和痛閾的數(shù)值也隨著變化。選取1000Hz純音作為基準音，若噪音聽起來與基準純音一樣響，則噪聲的響度級就等于這個純音的聲壓級（分貝數(shù)），單位為方。12.4噪聲的主觀量與評價等響曲線表達典型聽者認為響度級相同的純音與聲壓級的關(guān)系。聽閾線為零方響度線；痛閾線為120方響度線等響曲線

12.4噪聲的主觀量與評價方-宋關(guān)系響度1宋表示40方的響度級，即聲壓為40dB、頻率為1000Hz的純音所產(chǎn)生的響度。響度S(宋)與響度級LS(方)的關(guān)系：響度可以迭加計算12.4噪聲的主觀量與評價響度可以迭加計算。如果頻率分別為3000Hz和2000Hz，聲壓級均為70dB的兩純音合成，由等響曲線可知響度級均為70方。相應的響度為8宋，總響度為16宋，由等響曲線得總響度級為80方，可見，響度級不可以迭加。

12.4噪聲的主觀量與評價12.4.2寬帶噪聲的響度

測量噪聲的頻帶聲壓級；從圖或表查各頻帶的響度指數(shù)；計算總響度(宋)：最大響度指數(shù)常數(shù)，與倍頻程數(shù)有關(guān)響度指數(shù)曲線12.4噪聲的主觀量與評價12.4.3聲級計(soundmeter)的頻率計權(quán)網(wǎng)絡

從等響度曲線出發(fā)，通過采用某些濾波器網(wǎng)絡，對不同頻率的聲音信號實行不同程度的衰減，使儀器近似地表達人對聲音的感覺，這種網(wǎng)絡稱為頻率計權(quán)網(wǎng)絡。就聲級計而言，設(shè)立了A、B、C三種計權(quán)網(wǎng)絡。計權(quán)網(wǎng)絡的衰減曲線12.4噪聲的主觀量與評價經(jīng)過計權(quán)網(wǎng)絡測得的聲壓級分別為A聲級(LA)、B聲級(LB)和C聲級(LC)，其分貝數(shù)分別標為dB(A)、dB(B)、dB(C)。

A計權(quán)網(wǎng)絡效仿倍頻程等響曲線中的40方曲線，模擬人對高頻的敏感，對低頻的不敏感，應用廣。

B計權(quán)網(wǎng)絡效仿70方等響曲線，對低頻有衰減。

C計權(quán)網(wǎng)絡效仿100方等響曲線，在整個可聽頻率范圍不衰減，反映總聲壓級。12.4噪聲的主觀量與評價12.4.4等效連續(xù)聲級與噪聲評價標準

等效連續(xù)聲級用等效連續(xù)聲級作為評定間斷的、脈動的或隨時變化的不穩(wěn)定噪聲的大小。等效連續(xù)聲級可表示為：以每個工作日8小時為基礎(chǔ)，低于78dB的不予考慮，則一天的等效聲級可按下式近似計算:式中TnR——第n段聲級Ln的總暴露時間，min；

T

——某段統(tǒng)計時間，min。12.4噪聲的主觀量與評價如果一周工作六天，每周的等效連續(xù)聲級可按下式近似計算：

第n段聲級

一周的總暴露時間，min。12.4噪聲的主觀量與評價例測量某車間的噪聲。中心聲級有4小時為90dB(A)，3小時為100dB(A)，1小時為110dB(A)，試計算一天的等效連續(xù)聲級。解由表10.4，90,100,110dB(A)對應的段數(shù)分別為3,5,7。于是，有：12.4噪聲的主觀量與評價采用噪聲評價曲線確定噪聲容許標準噪聲評價曲線以噪聲評價數(shù)NR表征。根據(jù)標準容許的聲級LA確定容許的NR，換算關(guān)系為NR=LA－5dB噪聲評價曲線12.4噪聲的主觀量與評價12.5噪聲測量儀器

噪聲的測量主要是聲壓級、聲功率級及其噪聲頻譜的測量。

聲壓級測量儀器包括傳聲器、聲級計、頻率分析儀、校準器等。

12.5.1傳聲器

傳聲器(microphone)是將聲波信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號的傳感器，其原理是由聲造成的空氣壓力，推動傳聲器的振動膜振動，進而經(jīng)變換器將此機械振動變成電參數(shù)的變化。根據(jù)變換器的形式不同，常用傳聲器有電容式、動圈式、壓電式和永電體式。12.5噪聲測量儀器1．電容式傳聲器電容式傳聲器精密測量最常用的傳聲器。振膜和背極組成可變電容，極距在聲壓作用下產(chǎn)生變化。12.5噪聲測量儀器振動氣流通過阻尼孔，起抑制共振振幅的作用。毛細孔平衡振膜兩側(cè)靜壓力，而聲壓很難通過毛細孔作用于內(nèi)腔。電容傳聲器的工作原理12.5噪聲測量儀器2．動圈傳聲器動圈式傳聲器一個輕質(zhì)振膜的中部有一個線圈，線圈放在永久磁場的氣隙中，在聲壓的作用下，振膜和線圈移動并切割磁力線，產(chǎn)生感應電勢，同線圈移動速度成正比。這種揚聲器精度較低，靈敏度也較低，體積大，其突出特點是輸出阻抗小，所以接較長的電纜，也不降低其靈敏度。此外，溫度和濕度的變化對其靈敏度也無大的影響。12.5噪聲測量儀器3．壓電式傳聲器壓電傳聲器金屬箔形膜片與雙壓電晶體彎曲梁相連，膜片受到聲壓作用而變位時，雙壓電元件則產(chǎn)生變形，在壓電元件梁端面出現(xiàn)電荷，通過變換電路便可以輸出電信號。壓電式傳聲器膜片較厚，其固有頻率較底，靈敏度較高，頻響曲線平坦，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，廣泛用于普通聲級計中。

12.5噪聲測量儀器12.5.2聲級計

聲級計是用一定頻率和時間計權(quán)來測量聲壓級的儀器。聲級計框圖12.5噪聲測量儀器可根據(jù)需要選擇計權(quán)網(wǎng)絡，以測定聲壓級和A，B，C三種聲級。聲級計可以與適當?shù)臑V波器、記錄器連接，以便對聲波做進一步分析。某些聲級計有倍頻程或者1/3倍頻程濾波器，可以直接對噪聲進行頻譜分析。調(diào)查用的聲級計（三級）只有A計權(quán)網(wǎng)絡；普通聲級計（二級）具有A，B，C計權(quán)網(wǎng)絡；精密聲級計（一級）除了A、B、C計權(quán)網(wǎng)絡，還有外接濾波器插口，可進行倍頻程或1/3倍頻程濾波分析。12.5噪聲測量儀器12.5.3聲級計的校準

常用的校準方法活塞發(fā)生器校準法揚聲器校準法互易校準法靜電激勵校準法置換法使用聲級計測量聲壓時，必須經(jīng)常校準，以確保聲壓計讀數(shù)的精確度。某些行業(yè)的標準規(guī)定，每次測量開始和結(jié)束都必須進行校準，兩次差值不得大于1dB。12.5噪聲測量儀器1活塞發(fā)生器校準法活塞發(fā)生器校準法是一種現(xiàn)場常用的精確、可靠且簡便的方法，它主要適用于低頻校準（幾Hz到幾十Hz）。其原理是：由電池供電的電動機通過凸輪使兩個對稱的活塞作正弦移動，造成空腔中氣體體積的變化，使腔內(nèi)產(chǎn)生標準的正弦變化的聲壓，被校的傳聲器置于空腔的一端。用活塞發(fā)生器可以標定精密的聲級計，在頻率250Hz、聲壓級124dB時，其準確度可達±0.2dB，也可應用在低頻情況下標定傳聲器?；钊l(fā)生器校準法12.5噪聲測量儀器2揚聲器校準法

用一個精確標定過的揚聲器，在一個聲耦合空腔中產(chǎn)生1000Hz的精確給定聲壓級的聲壓，作為作用在傳聲器振膜上的標準信號。揚聲器校準法的原理示意圖12.5噪聲測量儀器3.互易校準法

互易校準法適用于中頻范圍可聽聲的傳聲器校準，該方法準確度高，是最廣泛采用的一種方法?；ヒ仔史瓤蓽y定傳聲器的壓力響應，也可以測定其自由場響應，即把機器放在室外空曠無噪聲干擾的地方或在消聲室內(nèi)，即自由聲場中。4．靜電激勵校準法該方法適用于較高頻率的傳聲器校準。它是將一個絕緣的柵狀金屬板置于傳聲器振膜之前，并使兩者之間的距離盡量小。在柵狀金屬板和振膜之間加上高達800V的直流電壓使兩金屬板極化，從而使兩者之間互相作用著一個穩(wěn)定的靜電力。另外再加上30V左右的交流電壓使相互作用一個交變力，其值等于1Pa的聲壓。靜電激振器產(chǎn)生的力和頻率無關(guān)，因此，可用來測量電容傳聲器的響應。12.5噪聲測量儀器5．置換法

置換法是用一個已知頻率響應的精確基準聲級計來校準使用聲級計。校準時，先用標準聲級計來測量聲壓，隨之使用被校準的聲級計來測量同一聲壓。最后用標準聲級計再次測量聲壓，以校驗試驗過程有無變化或疏忽。從兩聲級計測量結(jié)果的差別，可以確定被校準聲級計的頻率響應（靈敏度）。這種校準方法誤差較大。12.5噪聲測量儀器12.6噪聲測量技術(shù)

12.6.1聲功率的測量和計算

1.自由場法自由聲場法是把機器放在室外空曠無噪聲干擾的地方或在消聲室內(nèi)，即自由聲場中。測量以機械為中心的半球面上或半圓柱面上（長機械）若干均勻分布點的聲壓級，求得聲功率級：(dB)12.6噪聲測量技術(shù)如果機械在消聲室或其它較理想的自由場中，聲源以球面波輻射，則為：如果機械放在室外堅硬的地面上，周圍無反射，這時透聲面積為，則為：12.6噪聲測量技術(shù)2．參考聲源法在有限吸聲的房間（如工廠、車間）內(nèi)測量噪聲，自由場法要求的條件很難得到滿足。這時，可采用一個已知聲功率級的參考聲源與被測的噪聲源相比較來測定機器的聲功率。以機器為中心，半徑為r的半球面上測出該噪聲源的平均聲壓級關(guān)掉噪聲源，參考聲源置于噪聲源的位置，在同樣測點上測得的平均聲壓級。12.6噪聲測量技術(shù)12.6.2噪聲測量應注意的問題

1.測量部位的選取一般測點選在距機械表面1.5m，并離地面1.5m的位置。若機械本身尺寸很小(如小于0.25m)，測點應距所測機械表面較近，如0.5m，但應注意測點與測點周圍反射面相距在2～3m以上；機械噪聲大，測點宜取在相距5～10m處，對于行駛的機動車輛，測點應距車體7.5m，并高出地面1.2m處；相鄰很近的兩個噪聲源，測點宜距噪聲源很近，如0.2m或0.1m。如果研究噪聲對操作人員的影響，可把測點選在工作人員經(jīng)常所在的位置，以人耳的高度為準選擇若干個測點。12.6噪聲測量技術(shù)做為一般噪聲源，測點應在所測機械規(guī)定表面的四周均布，且不少于4點。如相鄰測點測出聲級相差5dB以上，應在其間增加測點，機械的噪聲級應取各測點的算術(shù)平均值。如果機械噪聲不是均勻地向各個方向輻射，除了找出A聲級最大的一點作為評價該機器噪聲的主要依據(jù)外，同時還應當測出若干點(一般多于五點)作為評價的參考。12.6噪聲測量技術(shù)2.測量時間的選取當測量城市街道的環(huán)境噪聲時，白天的理想測定時間為16小時，即從早上6點至晚上10點。測夜間的噪聲，取8小時為宜，即從晚上10點至早上6點，但有的國家也選取一天中最吵鬧的8小時作為測量的參考時間，有的進一步簡化，確定高交通密度(即每小時通過機動車數(shù)目超過1000輛)，測15分鐘的平均值即可代表交通噪聲值，如果交通密度整天都很小，取半小時的測量值，也是可靠的。測量各種動態(tài)設(shè)備的噪聲，當測量最大值時，應取起動開始時或工作條件變動時的噪聲，當測量平均正常噪聲時，應取平穩(wěn)工作時的噪聲，當周圍環(huán)境的