聲強(qiáng)測量的案例
聲功率測量的終極方案：深入解析聲強(qiáng)法的原理、優(yōu)勢與應(yīng)用
聲學(xué)測量和聲學(xué)理論并非總是并行發(fā)展，Rayleigh勛爵有影響力的著作《聲音理論》的出版奠定了現(xiàn)代聲學(xué)的基礎(chǔ)。聲強(qiáng)是該理論的基礎(chǔ)，但是，在整整一百年后，才出現(xiàn)一種完全實用的測量聲強(qiáng)的方法。
WEBINAR 聲強(qiáng)測量
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聲壓和聲功率
聲源輻射功率，從而產(chǎn)生聲壓。聲功率是原因，聲壓就是結(jié)果。
思考下這個類比，電加熱器將熱量散發(fā)到室內(nèi)，而溫度則是結(jié)果，溫度也是使我們感到冷或熱的物理量。房間中的溫度顯然取決于房間本身、隔熱材料以及是否存在其他熱源。但是對于相同的電源輸入，加熱器發(fā)出的功率實際上與環(huán)境無關(guān)。聲功率和聲壓之間的關(guān)系相似。我們聽到的是聲壓，但這是由聲源發(fā)出的聲功率引起的。
我們用傳聲器聽到或測量的聲壓取決于與聲源的距離以及存在聲波的聲環(huán)境（或聲場），這又取決于房間的大小和表面的吸聲性。因此，通過測量聲壓，我們并不能夠量化機(jī)器發(fā)出的噪音。我們必須找到聲功率，因為此物理量基本與環(huán)境無關(guān)，并且是描述聲源的唯一參數(shù)。
什么是聲強(qiáng)
任何振動的機(jī)械部件都會輻射出聲能。聲功率是輻射能量的速率（每單位時間的能量）。聲強(qiáng)描述通過單位面積的能量流率。在國際單位制中，單位面積為1平方米。因此，聲強(qiáng)的單位是瓦特/平方米。
聲強(qiáng)還提供方向的量度，因為在某些方向上會存在能量流，而在另一些方向上則不會。因此，聲強(qiáng)既具有幅度又具有方向性，因此是矢量。另一方面，壓力是標(biāo)量，因為它僅具有大小。通常，我們在法線方向上（相對于90°）相對于指定單位面積的強(qiáng)度進(jìn)行測量，聲能流過該單位面積。
還需要清楚的是，聲強(qiáng)是單位面積能量流的時間平均速率。在某些情況下，能量可能會來回傳播，這將無法衡量，如果沒有凈能量流，就沒有凈強(qiáng)度。
在下圖中，聲源正在輻射能量。
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聲強(qiáng)定義
聲強(qiáng)測量方法
聲強(qiáng)測量儀器設(shè)備
聲強(qiáng)測量的應(yīng)用
提問與解答
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什么是聲強(qiáng)
聲強(qiáng)測量的應(yīng)用
如何計算聲強(qiáng)
聲強(qiáng)場指示器
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展開 聲強(qiáng)的理論與測量
聲強(qiáng)還提供
方向的量度
，因為在某些方向上會存在能量流，而在另一些方向上則不會。因此，聲強(qiáng)既具有幅度又具有方向性，因此是
矢量
。另一方面，壓力是標(biāo)量，因為它僅具有大小。通常，我們在法線方向上（相對于90°）相對于指定單位面積的強(qiáng)度進(jìn)行測量，聲能流過該單位面積。
還需要清楚的是，聲強(qiáng)是單位面積能量流的時間平均速率。在某些情況下，能量可能會來回傳播，這將無法衡量，如果沒有凈能量流，就沒有凈強(qiáng)度。
在下圖中，聲源正在輻射能量。所有這些能量必須通過包圍聲源的區(qū)域。由于聲強(qiáng)是單位面積的聲功率，因此我們可以輕松地測量包圍聲源的區(qū)域的正常空間平均聲強(qiáng)，然后將其乘以該面積即可得出聲功率。注意聲強(qiáng)（和聲壓）遵循自由場傳播的平方反比定律。
從圖中可以看出，在距光源2r處，包圍光源的面積是距離r處的面積的4倍。然而，無論距離如何，輻射的功率都必須相同，因此聲強(qiáng)（單位面積的聲功率）必須減小。
為什么要測量聲強(qiáng)
我們可以通過測量聲壓來
確定物體的聲功率
，但存在實際困難。盡管聲功率可能與聲壓有關(guān)，但只有在經(jīng)過仔細(xì)控制的條件下，才能對聲場做出特殊假設(shè)。特殊構(gòu)造的房間（如消聲室或混響室）可以滿足這些要求。傳統(tǒng)上，為了測量聲功率，必須將噪聲源放置在這些房間中。
但是，我們可以在任何聲場中測量聲強(qiáng)，無需做任何假設(shè)，這使得所有測量可以直接在現(xiàn)場進(jìn)行。
展開 BK知識庫 | 聲壓—?dú)堄?em>聲強(qiáng)指數(shù)及動態(tài)能力
向聲強(qiáng)測量系統(tǒng)的兩個通道饋入完全相同的聲信號，所測量的聲壓級與指示的聲強(qiáng)級之差。以分貝表示，指數(shù)通常為正。
The pressure-residual intensity index for a given measurement system is defined as the difference between the measured sound pressure level and the indicated intensity level when the intensity probe is placed in a zero intensity sound field. It is expressed in decibel and the index will normally be positive.
聲強(qiáng)測量系統(tǒng)的動態(tài)能力通過從聲壓-殘余聲強(qiáng)指數(shù)中減去K來確定，即
The dynamic capability of an intensity measurement system is determined by substracting K,
當(dāng)K為7 dB（誤差1 dB）或10 dB（誤差0.5 dB）。
which is 7 dB (survey grade) or 10 dB (engineering and precision grades) from the pressure-residual intensity index.
使用雙聲壓傳聲器法，給定傳聲器間距 r 的聲場和測量系統(tǒng)指示器之間的關(guān)系如下所示。
展開 聲壓、聲強(qiáng)、聲功率區(qū)別與聯(lián)系
在以上類推中，暖氣片散發(fā)出來的熱能（熱功率）相當(dāng)于聲功率，溫度相當(dāng)于聲壓。
聲功率測量
1. 為什么要測量聲功率
我們需要用一個標(biāo)準(zhǔn)來衡量設(shè)備噪聲的大小，測量聲壓級與聲功率都可以對其進(jìn)行評價。
聲壓級的測量結(jié)果與所處聲學(xué)環(huán)境中的距離和方位有關(guān)，難以給出確定的數(shù)值來評價設(shè)備噪聲的大小。
與聲壓相反，聲功率是獨(dú)立于環(huán)境的客觀量。如果被測聲源的聲學(xué)環(huán)境已知，就能根據(jù)設(shè)備的聲功率級預(yù)估出聲壓級。因此，聲功率是描述和比較機(jī)器輻射出噪聲高低的有效參量。
2. 聲功率測量方法
聲源的聲功率必須在消聲室中測量，分聲壓測量法與聲強(qiáng)測量法。
聲壓測量法：該方法要求在特定的聲學(xué)環(huán)境中進(jìn)行。
聲強(qiáng)測量法：聲功率測量可以在普通的聲學(xué)環(huán)境，甚至在有干擾噪聲的情況下（因為聲強(qiáng)是矢量，積分求聲功率時，干擾聲會相互抵消）。
基于聲強(qiáng)法的聲功率測量有兩種測量方法
離散點(diǎn)法：GB/T 16404標(biāo)準(zhǔn)；
掃描法：GB/T 16404.2標(biāo)準(zhǔn)。
下圖為用掃描法進(jìn)行平板樣件的聲傳遞損失測量。采用這種方法要求每個測量面元都要正交地掃描兩次。
掃描方式
來源：吉興汽車聲學(xué)部件科技有限公司公眾號 作者：陳曉君
展開 技術(shù)評論 | 快速寬帶聲全息技術(shù)簡介
wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p class="ql-align-center"><em>圖3 WBH估計的聲功率與聲強(qiáng)探頭測量的聲功率比較</em></p><p class="ql-align-center"><br></p><p>WBH得到的聲強(qiáng)云圖與聲強(qiáng)探頭測量的結(jié)果一致。聲功率是通過聲強(qiáng)云圖的區(qū)域積分獲得的，總體上有很好的吻合，在低頻的差異是因為計算面積的大小不一致而造成的。</p><p><br></p><p><strong>總結(jié)</strong> </p><ul><li>WBH僅用一次測量，一次計算，覆蓋完整的頻率段</li><li>測量距離一般大于2倍的麥克風(fēng)間距，小于陣列直徑的一半，測量距離并不是關(guān)鍵的參數(shù)</li></ul><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/OZOcVSxAOZX4pBbgBGSTM0UQQOUTBiadKuunJKljumUUJtHVPR3ja8pJprn5icoGx6xZzvqZmlPmzyKBIsEPIicmw/640?
展開 Acoustic——聲壓、聲強(qiáng)、聲功率之間的區(qū)別與聯(lián)系
除此之外，聲壓的測量雖然簡單，但是非常容易受到環(huán)境影響（背景噪聲/反射等）而導(dǎo)致較大的誤差，往往需要在特定的消聲室或者混響室內(nèi)進(jìn)行測量，但是聲強(qiáng)的測量具有方向性，受現(xiàn)場影響比較小，可以消除背景噪聲的影響進(jìn)行現(xiàn)場，因此目前聲強(qiáng)測量也在被廣泛應(yīng)用于實際的聲學(xué)研究中。與聲壓級對應(yīng)，為了更容易描述變化量較大的聲強(qiáng)范圍，聲強(qiáng)也引入了聲強(qiáng)級的概念，具體公式如下：
I: 測量聲強(qiáng)
I0:基準(zhǔn)聲強(qiáng)（1.e-012W/㎡）
聲強(qiáng)是單位面積上的聲能量流，那么對整個聲源的表面積進(jìn)行積分計算，得到的結(jié)果就是該聲源在單位時間內(nèi)向外輻射的聲能，也就是聲功率。聲功率是聲源本身的屬性，它的值與觀察者的位置或距離都無關(guān)，是一個恒定的參量，因此聲功率可以用來衡量一個聲源的聲輻射能力，但是與聲壓、聲強(qiáng)不同，聲功率不能直接測量，只能通過測量聲壓或聲強(qiáng)后間接計算得出。
目前，通過計算等效輻射聲功率（ERP）來對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行振動噪聲分析已在 工程分析中被廣泛應(yīng)用，其計算主要取決于對選擇的輻射表面速度響應(yīng)的評估。通過計 算分析來獲得頻率響應(yīng)的最大輻射功率。
展開 Acoustic——聲壓、聲強(qiáng)、聲功率之間的區(qū)別與聯(lián)系
除此之外，聲壓的測量雖然簡單，但是非常容易受到環(huán)境影響（背景噪聲/反射等）而導(dǎo)致較大的誤差，往往需要在特定的消聲室或者混響室內(nèi)進(jìn)行測量，但是聲強(qiáng)的測量具有方向性，受現(xiàn)場影響比較小，可以消除背景噪聲的影響進(jìn)行現(xiàn)場，因此目前聲強(qiáng)測量也在被廣泛應(yīng)用于實際的聲學(xué)研究中。與聲壓級對應(yīng)，為了更容易描述變化量較大的聲強(qiáng)范圍，聲強(qiáng)也引入了聲強(qiáng)級的概念，具體公式如下：
I: 測量聲強(qiáng)
I0:基準(zhǔn)聲強(qiáng)（1.e-012W/㎡）
聲強(qiáng)是單位面積上的聲能量流，那么對整個聲源的表面積進(jìn)行積分計算，得到的結(jié)果就是該聲源在單位時間內(nèi)向外輻射的聲能，也就是聲功率。聲功率是聲源本身的屬性，它的值與觀察者的位置或距離都無關(guān)，是一個恒定的參量，因此聲功率可以用來衡量一個聲源的聲輻射能力，但是與聲壓、聲強(qiáng)不同，聲功率不能直接測量，只能通過測量聲壓或聲強(qiáng)后間接計算得出。
目前，通過計算等效輻射聲功率（ERP）來對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行振動噪聲分析已在 工程分析中被廣泛應(yīng)用，其計算主要取決于對選擇的輻射表面速度響應(yīng)的評估。通過計 算分析來獲得頻率響應(yīng)的最大輻射功率。
展開 
空調(diào)器電動機(jī)低頻噪聲分析介紹
噪聲鑒別方法主要有分步運(yùn)轉(zhuǎn)法、選擇隔離法、聲強(qiáng)測量法、頻譜分析法、倒頻譜分析法、相關(guān)分析法等。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇最適宜的鑒別方法。本案例中采用了分步運(yùn)轉(zhuǎn)法、選擇隔離法和頻譜分析法。
噪聲鑒別方法主要有分步運(yùn)轉(zhuǎn)法、選擇隔離法、聲強(qiáng)測量法、頻譜分析法、倒頻譜分析法、相關(guān)分析法等。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇最適宜的鑒別方法。本案例中采用了分步運(yùn)轉(zhuǎn)法、選擇隔離法和頻譜分析法。
選擇隔離識別噪聲：對同一型號電動機(jī)，分別單獨(dú)運(yùn)行檢測噪聲，確認(rèn)是否為電動機(jī)的共性問題。測試噪聲值及其最大頻率如下圖所示。測試結(jié)果表明，114 Hz和360 Hz低頻噪聲為電動機(jī)共性噪聲。
展開 AVL EXCITE用于車輛降噪的發(fā)動機(jī)仿真
測量技術(shù)已在過去的時間里得到發(fā)展、應(yīng)用和報道。由加窗及隨后的其它處理方法，可成功獲取單一噪聲源，進(jìn)而估計單一噪聲源在車輛行駛總噪聲中的主導(dǎo)貢獻(xiàn)，包括考慮噪聲源輻射的方向性、傳播和反射，或使用車輛近場大型麥克風(fēng)陣[4]。可確定的單一噪聲源常來自發(fā)動機(jī)表面、油底殼、齒輪箱表面、排氣口、排氣消聲器、排氣管、進(jìn)氣口、進(jìn)氣管表面以及輪胎（與道路）等。圖1 為一實例。
圖1 行駛噪聲源分析實例
圖2 顯示了世界范圍產(chǎn)柴油機(jī)的1 米噪聲級的典型范圍，測量依據(jù)DIN45636 (SAE J1074)。額定轉(zhuǎn)速下汽油機(jī)噪聲的典型范圍和絕對噪聲級與此相似。在低速低負(fù)荷下，汽油機(jī)噪聲級一般會比相當(dāng)?shù)牟裼蜋C(jī)小10dB 以上[5]。
圖2 世界范圍產(chǎn)柴油機(jī)典型的1m 噪聲級，根據(jù)DIN 45636 (SAE J1074)
在無嚴(yán)格噪聲法規(guī)的地區(qū)，發(fā)動機(jī)噪聲差異巨大，非常先進(jìn)的低噪聲概念發(fā)動機(jī)噪聲在下限，而技術(shù)過時的發(fā)動機(jī)噪聲在上限。
圖3 為一典型的聲強(qiáng)測量結(jié)果，可有效獲得發(fā)動機(jī)聲學(xué)特征，并確定單個部件對聲功率的貢獻(xiàn)[5]。
圖3 聲強(qiáng)測量結(jié)果，獲得單個部件對聲功率的貢獻(xiàn)
在發(fā)動機(jī)輻射噪聲源中，有許多不同的激勵機(jī)理。主要激勵源是燃燒噪聲，即脈動氣缸壓力導(dǎo)致的振動直接激勵軸系振動，另外慣性力、活塞敲擊力、配氣機(jī)構(gòu)和正時驅(qū)動、以及齒輪箱部件等也引起軸系和動力總成的振動。從全局或局部對激勵響應(yīng)、激勵傳遞和噪聲表面輻射的角度來看，動力總成的結(jié)構(gòu)同樣重要。再有，不同激勵力和不同的動力總成部件都強(qiáng)烈影響輻射噪聲頻率范圍。因此，發(fā)動機(jī)聲學(xué)優(yōu)化應(yīng)主要瞄準(zhǔn)整個動力總成，考慮激勵力、全局結(jié)構(gòu)振動和所有部件的局部振動。
發(fā)動機(jī)基本振動可通過測量和模擬仿真來了解[1]。
展開 聊一聊:路噪的元兇
測量路噪
一個常見的誤解是，車輛噪聲很大程度上是由發(fā)動機(jī)噪聲，甚至是路過的汽車和卡車的風(fēng)噪聲造成的。在大多數(shù)情況下，輪胎-路面噪聲的主要來源實際上是在橡膠與道路的交匯處。許多國家都有法規(guī)限制車輛的整體噪聲，特別是輪胎的噪聲。然而，直到數(shù)年前，國際政府機(jī)構(gòu)才開始考慮道路的影響。制約這個方面發(fā)展的一個障礙是缺乏一種準(zhǔn)確的、可重現(xiàn)的方法來測量輪胎-路面噪聲。
這種技術(shù)上的限制已經(jīng)被諸如車載聲強(qiáng)（OBSI）等技術(shù)的采用所克服。車載聲強(qiáng)是通用汽車公司在20世紀(jì)80年代開發(fā)的一種方法，在加利福尼亞運(yùn)輸部門的贊助下得到改進(jìn)，并由美國國家公路和運(yùn)輸協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)化。盡管標(biāo)準(zhǔn)在不斷發(fā)展，現(xiàn)在OBSI最常見的變體使用兩個探頭，每個探頭由兩個麥克風(fēng)組成，如圖2所示，具體位置見圖3。每個探頭的位置距離滾動的輪胎只有幾英寸，能夠測量聲強(qiáng)，也就是壓力和聲速的乘積，聲速是一小部分空氣相對于整個空氣的速度。因為聲強(qiáng)是矢量，所以聲強(qiáng)測量提供了不能從標(biāo)量聲壓得到的有用信息。OBSI技術(shù)使用兩個測量探頭，因為從輪胎-路面接觸面前部發(fā)出的聲音通常與從接觸面后部發(fā)出的聲音不同。
圖2 車載聲強(qiáng)是一種用于評估由于輪胎和路面相互作用而產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法。測試通常以每小時60英里的速度進(jìn)行。OBSI的兩個探頭每一個都有一對被帶有風(fēng)球的麥克風(fēng)。這兩個探頭可以讓工程師測量輪胎與路面接觸面前后的噪聲。
圖3 OBSI法探頭具體布置
采用OBSI方法對數(shù)千種輪胎-路面組合進(jìn)行了評價。為了簡化數(shù)據(jù)的解釋，路面工程師采用了一種標(biāo)準(zhǔn)的參考試驗輪胎（SRTT），使不同的路面更容易進(jìn)行比較。SRTT是由ASTM國際標(biāo)準(zhǔn)化的。盡管由于種種原因SRTT并不理想，但它有一個顯著的優(yōu)勢，即在可預(yù)見的將來可以購買到。
展開 如何正確選擇傳聲器？全場景選型指南
二、按測試聲級與頻率特性，鎖定核心性能參數(shù)
不同測試場景，對傳聲器的聲級測量范圍、頻率響應(yīng)能力有著截然不同的要求，需根據(jù)測試目標(biāo)精準(zhǔn)選型：
微弱噪聲測試針對低幅值微弱噪聲的測量場景，如消聲室的本底噪聲測量、電子器件的工作噪聲等，可選用本底噪聲極低的傳聲器，精準(zhǔn)捕捉微弱聲信號；
高聲級測試針對爆炸、槍聲、火箭發(fā)射等高聲級測試場景，可選用高聲壓級傳聲器，可實現(xiàn) 180dB 以上高聲級信號的精準(zhǔn)測量；
極低頻 / 次聲測試針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的次聲等極低頻聲波測量場景，可選用低頻響應(yīng)性能優(yōu)異的傳聲器，可實現(xiàn) 0.1Hz 以下次聲波的有效測量；
高頻高聲壓測試針對風(fēng)洞內(nèi)的噪聲測試場景，常選用 1/4 英寸規(guī)格的高頻、高聲壓級傳聲器，適配風(fēng)洞環(huán)境下高頻、高流速氣動噪聲的測量需求。
三、按特殊工況環(huán)境，適配專用型傳聲器
在極端環(huán)境、特殊干擾場景下，普通傳聲器無法保證測試性能的穩(wěn)定，需根據(jù)環(huán)境特性選擇對應(yīng)防護(hù)能力的專用傳聲器：
探針傳聲器：適配狹小空間內(nèi)或極端高溫的聲學(xué)測試需求；
戶外傳聲器：用于長期戶外環(huán)境噪聲監(jiān)測場景；
表面?zhèn)?em>聲器：用于汽車、高鐵或飛機(jī)的外表面氣動噪聲測試場景；
實驗室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器：用于聲學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)；
人頭軀干模擬器：用于雙耳噪聲采集、聲品質(zhì)分析或頭戴式設(shè)備的電聲測試等場景。
四、按專項測試需求，關(guān)注核心性能指標(biāo)
除基礎(chǔ)的聲級、頻率、環(huán)境適配性外，部分專項測試對傳聲器的特定性能有著更高要求，需重點(diǎn)關(guān)注對應(yīng)指標(biāo)。
針對聲強(qiáng)測試、聲源定位、主動降噪等多通道測試場景，要求傳聲器具備出色的相位性能，保證多只傳聲器之間的相位一致性。例如，4197型聲強(qiáng)傳聲器對專門設(shè)計了相位修正單元（專利技術(shù)），確保精準(zhǔn)的聲強(qiáng)測量。
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