4009-025-365
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原创 声功率测试方法

发表时间:2021-02-20 09:06作者:南京宁韵

用声压级描述机器设备的噪声时,测量结果不但取决于机器设备声源的特性,还与测量位置和声学环境有关。例如在机器设备在自由场(消声室)中测试的声压就比在扩散场(混响室)下要小。因此声压级测量不能全面反映机器设备辐射声波的强度特性。而声源的声功率是声源在单位时间内发出的总能量,它与测量点的位置和环境无关,因此声功率是声源的重要声学参量。

国际标准化组织已颁布了一系列关于测定机器声功率方法的国际标准。参考ISO标准,我国自20世纪80年代开始,也先后制定了测量噪声源声功率相关的国家标准,一般它们与ISO标准都是等效的或有渊源关系,具体情况列于表1。

1 我国颁布的噪声源声功率测试标准

方法分类
标准编号
精度
测试环境
声源体积
声压法
6882-2016
精密
消声室和半消声室
小于房间体积的0.5%

3767-2016
工程
反射面上方近似自由场
无限制,由实际决定

3768-2017
简易
反射面上方采用包络测量
无限制,由实际决定

6881.1-2002
精密
混响室精密法
小于混响室体积的1%

6881.2-2017
工程
硬壁测试室中工程法
小于混响室体积的1%

6881.3-2002
工程
专用混响室中工程法
小于混响室体积的1%
声强法
16404-2006
精密
离散点测量
无限制,由实际决定

16404.1-1999
工程
扫描测量
无限制,由实际决定

16404.2-2006
精密
扫描测量
无限制,由实际决定
标准声源法
16538-2008
简易
使用标准声源简易法
无限制
振速法
16539-1996
工程
封闭机器测量
无限制

由表1可知,声功率测试主要包括传声器法、声强法、标准声源法和振速法四大类。同时对于满足精密测试精度时,只有声压法和声强法。本节将结合现有国家标准,介绍声功率测试的声压法和声强法的基本原理和测试误差。同时由于声压法的测试环境主要是消声室和接近消声室环境以及在混响室和接近混响室环境下的测量,因此我们首先介绍声压测试时所需注意的事项和误差修正,这在其它环境噪声中同样适用;而后介绍在消声室和混响室测量声功率的基本原理和误差来源。本单元主要介绍声压测试方法,包括(近似)自由场和“近似”扩散场的声压测试方法。


1. (近似)自由场测试方法

消声室的主要功能首先是为噪声测量提供一个低的背景声环境,其次是为声学测试提供一个自由场空间或半自由场空间。自由场是指声波在无限大空间里传播时,不存在任何反射体和反射面。声波在自由场或半自由场空间里传播有特定的物理定义,包括:首先是对点声源声压随距离衰减,这就是声能的反平方律;其次声压级在常温常压下,其声压级近似等于声强级,这是在消声室里测量声功率的理论基础。

因此在消声室中,首先可以精确的评价机器设备的噪声大小和声功率的评价;其次在消声室中的声场为自由场和半自由场,可以较为准确的开展机器设备的噪声源定位分析;同时消声室还可以用来评价声源,如扬声器的辐射声场的指向性。

由于消声室是要在室内模拟自由场或半自由场空间,因此为了消除室内的反射声,消声室内除了没有障碍物外,室内各面(墙壁、天花板、地面)上都铺设高效能的吸声材料或吸声结构,使入射于壁面上的声波,在一定频率范围内几乎完全被吸收,即消声室要求室内墙面吸声系数为99%以上,半自由场地面的反射系数为95%以上。同时为了消除外界噪声的干扰,消声室必须有良好的隔声和隔振性能。

消声室分全消声室和半消声室两种类型,房间的六个面全铺设吸声层的称为全消声室。房间的六个面中只在五个面或四个面铺吸声层的,称为半消声室。一般而言,全消声室相对半消声室的具有更佳的声自由场;而半消声室则可以较方便和实用的开展工程测试,特别是一些大型设备的测量,同时对于例如像汽车行业,为了模拟真实的路面空旷环境,较多采用了半消声室。

消声室性能主要包括三个指标:本底噪声、截止频率和自由场半径。对于评价机器设备声压级或声功率时,一般要求在测试频带范围内,背景噪声的声压级最好要比测声源的声压级低12dB,因此消声室的背景噪声越低,可评价的机器设备的声压级就越精确。截止频率的概念是由于目前能做到全频带(20~20kHz)的100%吸声体,是很困难的。因为通用的材料对高频声波很容易被吸收,而低频吸收则和材料的厚度有关。因此截止频率是指在此频率以上,墙面的吸声系统能保证99%的吸声系数。鉴定消声室内的声场是否是自由声场,主要是通过观察它与理想自由声场接近的程度来决定,一般用声压与点声源距离成反比的定律来检验。

产生自由场的环境可以是消声室或半消声室,以及近似满足自由场条件的室内或户外。因此所测量的精度有所不同,分为三级:精密法、工程法和简易法,即1级、2级和3级精度,其特征由GB/T 14367-2006规定。对于自由场能够较好满足的半消声室和消声室而言,声功率测试有着最高的精度。

当声源无指向性时,在全消声室(自由场)中,声功率级LW与声压级Lp的关系为,有:

       声功率测试       

在半消声室(半自由场)时,声功率级LW与声压级Lp的关系为:

       声功率测试   

在消声室测试声源时,需要在声源远场进行,即传声器的位置应选择2~5倍于被测声源的尺寸,并且不能小于1m。同时为了避免壁面的反射,传声器的位置距离墙面不低于被声信号波长的1/4。

对于指向性声源,当声源放在自由声场中时必须测量出声源周围固定距离处假想球面上N个点的声压级,球的半径应该使测量点位于远场。测量点的数目不能太少,以保证测得数值之间的最大变化不超过6dB左右,否则必须在更多的点上进行测量。求声源的声功率时,应将假想球面分成与测量点数目相同的面积。如果传声器测点占有的测试球(或半球)的面积相等,则上式中的声压级Lp用平均声压级替代:

       声功率测试                                   

如果各个传声器位置在测量球面上占有的面积不相等时,则平均声压级为:

        声功率测试                                 

传声器的排列方式有固定位置和路径移动两种,一般采取固定位置的方式。测点的数目N取决于所要求的精度和声源的指向性。所要求的测量精度越高、声源的指向性越强,所需的数目就越多。表2为GB/T 6882给出半径为r的半消声室面上等面积的20个测点位置。

2. 反射面上方自由场的传声器位置

编号
x/r
y/r
z/r
编号
x/r
y/r
z/r
1
-1.00
0
0.025
11
-0.43
0.74
0.525
2
0.50
-0.86
0.075
12
-0.41
-0.71
0.575
3
0.50
0.86
0.125
13
0.39
-0.68
0.625
4
-0.49
0.85
0.175
14
0.37
0.64
0.675
5
-0.49
-0.84
0.225
15
-0.69
0
0.725
6
0.96
0
0.275
16
-0.32
-0.55
0.775
7
0.47
0.82
0.325
17
0.57
0
0.825
8
-0.93
0
0.375
18
-0.24
0.42
0.875
9
0.45
-0.78
0.425
19
-0.38
0
0.925
10
0.88
0
0.475
20
0.11
-0.19
0.975


在实际测量中,还需要由空气声速和密度所引起的误差,按照测试环境中的温度和大气压强进行相应的修正,具体可参考GB/T 6882的要求。

当测试场地接近自由场时,可采用GB/T 3767和GB/T 3768进行声功率测试;其测试原理大体上与消声室测试是类似的。区别在于由于环境的不同,其测试的精度不同。因此实际测试时,需要首先对测试环境进行评估,即需要对背景噪声开展K1修正,且计算式的环境因子K2,以判断测试要求和精度。表3为消声室及近似自由场环境下声功率测试国标要求。

表3 消声室及近似自由场环境下声功率测试国标要求

参量
GB/T 6882
GB/T 3767
GB/T 3768
测试精度
精密 1级
工程 2级
简易 3级
测试环境
(半)消声室
室外或室内

评判标准
K2≤0.5dB
K2 2dB
K2 7dB
声源体积
<房间体积0.5%
由有效测试环境决定

噪声特性
各类噪声


背景噪声限定
ΔL≥10dB
K1≤ 0.4dB
ΔL6dB
K11.3dB
ΔL3dB
K13dB
测点数目
≥10
9
4
测试设备要求:
   声级计
   积分声级计
   带通滤波器


   GB/T 3785 1型
   IEC 804   1型
   GB/T 3241 1型


2型
2型
-

再现性标准偏差
σR1dB
σR1.5dB
K2 5dB σR3dB
5 K2 7dB σR4dB
离散纯音占比大时,σR增加1dB


2. 扩散场条件下声功率的测试方法

对于一个封闭的房间,如果房间内的声能密度分布处处相等,声能量向各个方向传递的概率相等,且房间传播的声波相位是无规且不相干的,从而形成扩散声场。在扩散声场中,具有足够的扩散和较长的混响时间。混响室就是专门设计的具有扩散声场的声学实验室。在声学测量中,需要扩散声场条件的情况有:

  • 测量一些电声换能器的扩散场灵敏度特性。

  • 机器设备的噪声功率测试。

  • 材料的无规吸声系数测试。

  • 隔声测试时,作为发声室,要求声源无规入射到试样上。

  • 评价如乘用车等一些封闭小空间的声学密封性。

  • 某些高噪声环境下的实验研究。

对于一个长宽高相差不大的的矩形房间,假设体积为V,lx>ly>lz,其最低的声模态频率为:

       声功率测试                                           

当频率低于f1时,空间声场可近似为相等,在频率高于f1后,室内逐步出现各个声模态,其模态数随频率的增大而增大。由声波简正模态理论可知,相对带宽Δf/fm以内的简正频率数为:

        006.png                           

对于1/3倍频程,Δf/fm=0.23;对于1/1倍频程,Δf/fm=0.70。因此对1/3倍频程和1/1倍频程频带内的简正频率数为:

房间声模态                         

        房间声模态               

当频率继续增大,就可以就可以达到满足扩散声场的条件。对于低阻尼房间,认定为扩散或混响声场的临界频率fs为:

        临界频率           

室内声场                         

图1 矩形房间内模式或扩散声场的频率范围与体积的关系

图1为由上式计算的矩形房间内模式或扩散声场的频率范围与体积的关系。图中灰色区域为由上面两个计算式得到的过渡区域。从图1可以看到,当要实现频率在125Hz以上满足扩散声场的室内体积需要200m3左右;而对于6~7m3左右的小舱室,能够实现扩散场的频率在400Hz以上。

因此结合扩散场的实际产生条件,可知混响室建设应满足以下条件:

  • 混响室的容积应大于 200m3,从而保证在125Hz时具有做够多的简正频率。体积越小,混响室的下限频率就越高。

  • 混响室的高、宽、长之比不应成整数,以避免简正频率简并。合适的比例为 1:21/3:22/3≈1:1.25:1.6

  • 混响室的内壁面不宜相互平行,以免产生驻波。

  • 混响室的内壁面要用坚硬密实光滑的材料贴面,以减小吸收增加反射。

混响室的声学指标主要包括背景噪声、截止频率、混响时间以及声场声压均匀性。

当机器设备的体积远小于混响室体积时,将该机器设备至于混响室的地面时,声指向性因子Q=2,这时有:

        声功率测试                                 

在混响室中系数量非常低,这时房间常数,同时当接收点不是非常靠近声源时,离开壁面半波长的其他任何地方的声压级都以混响声为主,并相差不大,这时上式可近似为:

       声功率测试

测量时应该使用无规响应传声器,传声器的应离墙角和墙边至少3λ/4,离墙面至少λ/4(λ为最低频率声波的波长)。传声器不要太靠近声源,至少相距lm,以避免出现近场效应的影响。平均声压级至少要在一个波长的空间内进行。测量位置约3~8点,与噪声源频谱有关,如噪声源有离散频率,就需要更多的传声器测点。

同时,由于混响室的总吸声是通过测量混响时间来计算的,因此这时噪声源声功率

       声功率测试                       

混响室法要求的条件比自由场法要简单,近年来使用较多。需要注意的是,测量混响时间(特别是在低频率)须根据衰变曲线开始10dB的斜度,否则算出的LW值可低很多。

当测试场地接近混响环境时,可采用GB/T 6881系列标准进行声功率测试。其中GB/T 6881.1和GB/T 6881.3的测试方法大体类似,只是对混响室的要求不同;GB/T 6881.2则是在近似混响室环境中,采用声源比较法进行。

表4近似混响条件下噪声源声功率测试方法

参量
GB/T 6881.1
GB/T 6881.2
GB/T 6881.3
测试精度
精密 1级
工程 2级
工程2级
测试方法
传声器测试
标准声源比较
传声器测试
测试环境
混响室
硬壁房间
专用混响测试室
环境要求
100Hz 时V>200m3
T60>V/S
V≥40m3
平均吸声系数<0.2
70m3<V<300m3
T在0.9~1.1RTnom之间
R=1+257/(f/V1/3)
Tnom为1000Hz混响时间,在0.5~1s之间
声源体积
<0.02V
<0.025V

噪声特性
稳态、宽带、窄带、离散频率
任意,没有孤立的猝发音

背景噪声要求
ΔL≥10dB
ΔL6dB
ΔL4dB
测量点数
6
3

测试设备要求:
   声级计
   积分声级计
   带通滤波器
   校准器


   GB/T 3785 1型
   IEC 804 1型
   GB/T 3241 1型
   GB/T 15173 1型


得到的声功率级
1/3倍频程或倍频程
A计权
倍频程
A计权或倍频程
再现性标准偏差
σR0.5dB
σR1.5dB
σR2.0dB

发射噪声频谱比较“平”的声源


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