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原创 声学测试注意事项

发表时间:2020-03-03 16:18作者:南京宁韵环境检测有限公司

声学测试是声学研究的基本手段,声压本身是描述声场特性的一个最重要的参量,也是实际测量中最常用的测试手段。因此声压的测试是声学测量中最常用的形式。但是影响声压测量的结果有很多因素,本文主要探讨我们在声压测试时所需要注意的一些常见问题,并使得我们的测试结果能够尽可能具备一定的精度和可重复性。


1. 影响空间声场的主要因素

对于一个半径为a的小球,其表面作均匀的微小振动,从而引起附近流体的振动,从而产生声波向外辐射。由于球源表面上各点沿着径向作同振幅、同相位的振动,容易求得其空间辐射声场为:

球声源辐射

式中:v0为球源表面振速,k为波数(k=ω/c0),c0为空气中声速,r为球源与场点之间距离。

由上式可见,空间的声压正比于球源表面振速;与球源的半径和辐射频率都有关系,与球源与场点之间距离有关。图1为脉动球源声辐射时,声压幅值与球源和频率关系。从图中可以看出,当球表面振速和频率一定时当球源半径越大,声压幅值越大;当球表面振速和球源半径一定时,频率越高,声压幅值也越大。图2为声压幅值随距离的变化。声压振幅随径向距离反比地减小,即在球面声场中,离声源越远的地方声音越弱。

脉动球声源辐射

图1 声压幅值与球源和频率关系   图2 声场与距离关系

实际声源辐射要比球源要复杂很多,但影响辐射的因素是类似的,与声源的振动状态有关、与声源的几何结构有关、与频率有关;并且在绝大多数情况下(除非理想的混响状态)与声源到场点之间的距离有关。并且这些关系与上述脉动球源是类似的。

以上仅是仅考虑某具体声源时,空间声场的影响因素;实际中空间声场还与其所在点的背景噪声、空间的声学特性以及如果在室内测试时所处的位置有关。因此如果在空间测试某噪声源的声压时,其声场就会包括由该声源引起的贡献和其它因素所产生的影响。因此接下来我们主要分析实际测试时声场中不是由被测声源贡献所引起的影响。


2. 背景噪声K1的修正

国标GB/T 3767等将由背景噪声对声压级的影响引入的一个修正因子定义为K1。它等可以由前面介绍的声压级叠加推导得到。如果测试时LpT为设备开启时带有背景噪声时的总噪声,Lp1为背景噪声,Lp2为设备噪声,则有:

微信图片_20200303162629.jpg

背景噪声修正

图3 声压级修正

图3即为修正因子K1与ΔLL=LpT -Lp1)之间的关系。可以看到,当ΔL>15dB时,K1<0.14dB;当ΔL=6dB时,K1=1.3dB。因此国标GB/T 3767规定,当ΔL>15dB时,测试结果不需要修正,当6dB≤ΔL<15dB时,K1按照上式进行计算。当ΔL≤6dB时,测量结果的准确度就要降低。虽然这时的测量结果也可以报告,但它只能作为确定被测声源的上限的参考,在报告时应明确说明背景噪声没有满足ΔL≤6dB的要求。需要特别注意的是,如果ΔL≤3dB,则表明这时的背景噪声比声源还要大。


3. 环境因子K2修正

用声压法测试时,一般都在室内进行。这样当声波在室内就会存在或多或少的反射;因此空间声场也就主要包含两部分,一是直达声,二是反射声。因此为了评估各种反射声对空间声场的影响,引入环境因子K2修正。

当声源稳定的辐射声波时,可推导出室内某点的声压级Lp与该声源声功率级Lw之间的关系为:

混响场声场计算

式中:R为房间常数,它等于房间常数S室内总的表面积吸声系数为室内平均吸声系数;r为声源至场点之间的距离;Q为声源指向性因子。

由上式可见,当室内完全吸声时,这时平均吸声系数为1,这时R趋于无穷大,上式变为:

自由场声场

这时空间声场仅有直达声所贡献,没有反射声,因此这时的总声压及最小。而当室内完全不吸声时,这时平均吸声系数为0,这时R趋于0,这时空间声场将趋于很大。

因此同一设备在不同的环境中,其声压级不但与该设备的声源特性和测试距离有关,还与该设备所处的声学环境环境有关。因此,当设备置于房间常数为R的室内,在距离为r处的所测量到声压级与该设备置于全自由场场中的声压级差值K2为:

一般空间声场

当房间平均吸声系数较小时,并取Q=1时,上式可近似为:

环境修正因子

式中:S为以声源与传声器距离r为半径的球面积,A为房间的吸声量。

上式即为国标GB/T 3767等类似标准确定环境因子K2的计算公式。图4为由上式计算的环境修正量K2A/S的关系。

环境修正因子

图4 环境修正K2


4. 测量传声器的与声源之间的距离

对于半径为a的圆形平面活塞,其中轴线上距离为z处的声场为:

活塞声辐射

活塞声辐射

图5 无限大障板中轴线上声场特性

图5为由上式计算得到的不同活塞半径时障板中轴线上声场特性,计算时取声波波长1m。可以看到在离障板较近时,当活塞半径大于声波波长时,声场随距离增加振荡变化。当距离增加到某值zg后,声压振幅开始像球面波一样随距离的增加而减小了。因此,出现最后一个极大值的位置zg,具有特别重要的意义,它可以看作活塞辐射从近场过渡到远场的分界线,因此zg也可称为活塞声源的近远场临界距离。

确定zg的基本思路是对上式的幅度部分对z求导,求得当z大于某数值后,其导数恒小于零,从而确定zg值。这样,由上式,有:

活塞声辐射

由于a>0,所以 活塞声辐射,因此只有当:活塞声辐射时,即:

活塞声辐射

因此对于图5中声波波长为1m时,当活塞半径分别为1m2m4m时的近远场临界距离分别为0.75m3.75m15.75m。同时由上式可知,当aλ/2后,中轴线的声场将随距离的增加而衰减,不出现振荡现象。

因此为了使测量能够在远场进行,GB/T 6882-2008等国标要求传声器的测量距离应大于等于以下所有要求:

1) 声源最大尺寸的两倍或声源声中心离反射平面的3倍,两者取其中较大者。

2) 测量最低频率的λ/4

3) 1m


5. 测量传声器的与墙边角之间的距离

实际测量时,传声器离墙面或墙角不能太近,否则就会受到墙面或墙角反射声的影响,而产生较大的测量误差。下面我们考虑一束平面波piθ角入射到如图6所示的一刚性无限大平面,则这时入射波pi和反射波pr可表示为:

声场反射

图6   声波在刚性壁面

入射声场

这样可得空间总声场均方的时间平均为:

微信图片_20200303164440.jpg

在混响室,声波为无规入射,因此空间总声场在各个入射角的平均为:

空间声场

这样,距离墙面位置d处的声压级与入射声压级的差值ΔL为:

声场特性

当传声器靠近墙的一边时或者一个角时,采用前面类似的方法,可得到空间总声场在时间和各个入射角的平均为:

平均声场

式中:

平均声场模型

式中的第一式:声场空间距离

式中的第二式:声场空间距离

声场空间距离

7 距离墙面、墙边和墙角d位置声压级与无穷远声压级差值

7为距离墙面、墙边和墙角d位置声压级与无穷远声压级差值,图中dx=dy=dz从图中可以看到,如果要消除边界的影响,即保证1dB以内的测试精度,对于墙面而言,传声器位置需要离开墙面λ/4距离,而对于墙角而言,传声器位置需要离开墙角3λ/4距离。

由于现有混响室最低截止频率大约在100Hz,因此目前国标GB/T 6881.1规定传声器距离墙面距离不得小于1m。


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