声学测量分析技术方案

1、lOfft声学测试分析技术方案一、声压声波传播过程中，空气质点也随之振动，产生压力波动。一般把没有声波存 在时媒质的压力称为静压力，用表示。有声波存在时，空气压力就在大气压附近起伏变化，出现压强增量，这个压强增量就是声压，用表示。声压的单位就是压强的单位，在SI单位制中，面积S的单位是米2,力F的单位是牛（顿），其声压的单位是牛/米2,记为N/m：或称为帕（斯卡），记为Pa,其辅助单位为微巴,记为Mr （达因/厘米2, “加/皿2）。换算关系为:Pa = N I m = 1 Odyn / cm2 = 10 jLibar（1一3）与大气压相比，声压是相当小的。在1000赫时的可听声压范围大约在

2、0.0002200微巴之间。声压随时间起伏变化，每秒钟内变化的次数很大，传到人耳时，由于耳膜的 惯性作用，辨别不出声压的起伏，即不是声压的最大值起作用，而是一个稳定的 有效声压起作用。有效声压是一段时间内瞬时声压的均方根值，这段时间应是周 期的整数倍。有效声压用数学表示为 =（I）式中T周期；p（f）瞬时声压；/时间。对于正弦声波 = /%/无，为声压幅值，即最大声压。在实际使用中， 若不另加说明，声压就是有效声压的简称。二、声压级仆一个声音的声压级是这个声音的声压与基准声压之比的以10为底的对数的 20 倍,即 4= 201g 2Po式中(-声压级，分贝;p声压，帕;P0基准声压，取九=20

3、微帕。有了声压级的概念，就可把山声压值表示的数白.万倍变化，改变为0120 分贝的变化范围。三、声学频谱声频范围很广，从低频到高频变化高达1000倍，一般不可能，也没有必要 对每个频率逐一测量，为方便和实用上的需要，通常把声频的变化范围划分为若 干个较小的段落，称为频程，或频段、频带，一般它是两个声或其信号频率间的 距离。频程有上限截止频率值、下限截I上频率值、中心频率值和上下限截止频率 之差。上、下限截止频率之差即是中间区域，称为频带宽度，简称带宽。一般频程以高频与低频的频率比的对数来表示，此对数通常以2为底，其单 位称倍频程。即(1-15)6=2" 或 n = log,匕 力1/

4、J式中力、人-成倍频程关系的低频和高频频率，即下、上限截止频率；两个频率相比的倍数。可以是任意正实数，越小，分的越细，频程越短，测量所需时间就 越多，当 =1时，即两个频率相距1倍时，称倍频程，简称倍频程；当 =1/3时, 称1/3倍频程，依此类推。在倍频程中，频程间的中心频率之比都是2： 1,其中心频率是上、下限的 几何平均值，即fL瓦四、计权声级声波的性质主要由声强大小、频率高低和波形特点决定。人们的听觉也是由 于对声音强、弱、调子高低和音色产生微妙的差异才能分辨出各种不同的声音。 所以确定物理量数值与主观感觉的关系是必要的。设置计权网络，通过对人耳敏 感的频率加以强调，对人耳不敏感的频率

5、加以衰减，就可以直接读出反映人耳对 噪声感觉的数值，使主客观量趋于统一。常用的计权网络A、B、C三种。目前还出现。(口、Dj、E和SI几种计权， 一般采用A计权网络。A计权网络是效仿倍频程等响曲线中的40方曲线的反曲线而设计的。它较 好地模仿了人耳对低频(500赫以下)不敏感，对10005000赫声敏感的特点。 用A计权测量的声级来代表噪声的大小，称为A声级，记为分贝(A),或dBA°五、信号处理过程的加窗与平均常用窗函数在对信号进行频域处理时，先要对数据加窗选取，以减小谱的泄露。常用的几种窗函数如下：(I)矩形窗矩形窗属于时间变量的零次事窗，函数形式为(1-28)相应的窗谱为:(1

6、-29)矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗.这种窗的优点是 主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高。3lOfft(2 )汉宁(Hanning)窗汉宇窗乂称升余弦窗，其时域表达式为:(1-30)相应的窗谱为:国)=昨丁 |”了sin kJT 1次 2sin.( &置 十力十sin( G笊一力cJE + 雷 GT - x(1-31)汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者说是3个sine (t)型 函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了 n/T,从而使 旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。(3 )海明(Hamming)窗海明窗也是余弦窗的一种，乂称改进的升余弦窗

7、，其时间函数表达式为：|1(0.54 + 0.4cos1 t<Tt) 1 10t>T(1-32)其窗谱为:0 46 sin( 小*十句十sin( 成-力T”/ 、1 ccsin &般阳初=l.08cJT 十 尔 cJE - 尔(1-33)海明窗与汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。分析表明，海明窗的笫一旁瓣衰减为一 42dB.海明窗的频#火西篮m io#楼i：ft'( lOfff谱也是由3个矩形时窗的频谱合成，但其旁瓣衰减速度为20dB / (lOoct),这 比汉宇窗衰减速度慢。海明窗与汉宇窗都是很有用的窗函数.除了以上几种常用窗

8、函数以外，尚有多种窗函数，如平顶窗、帕仁(Parzen) 窗、布拉克曼(Blackman)窗、凯塞(kaiser)窗等。窗函数的选择应考虑被分析信号的性质与处理要求.如果仅要求精确读出主 瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗；如 果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宇 窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比.平均方式数字信号处理中，根据研究目的和被分析信号的特点，常使用以下几种平均 方式进行处理。(1)线性平均(1-34)线性平均：Yn= (1/N)* 2 Xi i=lN 全部输入数据的影响都是1/N.线

9、性平均要把全部输入数据储存后再计算，可改为递推线性平均递推线性平均：丫2= Y1/2=(1/2)*(X1+X2)计算后XlX2可删除#丫3= Y1,23 =(X1+X2+X3)=()* 丫2+(的)X3计算后 丫2 可删除Yn= (n-l)/n)*Yn.i+(Vn)*Xn n=lN(2)指数平均 一阶微分方程Tc时间常数Tc (dy(t)/dt) + y(t) = x(t)(1-35)以采样间隔A t离散成一阶差分方程，(1-36)dtf t, y(t)f y(n)-ym x(t)x(n)xn, dy->yn- yn.iYn=(N-l)/N)*Yn-l+(l/N)*Xn因 Tc>A

10、t,可令 Tc/At=N,Yn=(N-l)/N)*Yn-i+(l/N)*Xn( 1-37)彳列:N=4,Xn=Xi X2 X3 X4 X5Yi=(lA)* Xi丫2=(泗)* Yi+(174)*X2=(1)*(1A) *Xi+(1A)*X2丫3=(利)* Y2+(1/4)*X3=(4)*()*(1A) Xi+()*(1A)*X2+(1A)*X3Y4-Y3+(W)*X4=(四)*(必)*(驰)*(3A)*Xl+(必)*(型l)*(MU*X2+()*(1/4)*X3+(1A)*X4可见以往输入数据对现在输出的影响按 (N-1)/N)m逐渐减小(遗忘)。(3)最大值保持 保持声压最大的一次结果，作为

11、最终的分析结果。六、测试基本原理及流程传声器(专用的声学传感器)将瞬时声压信号转换为电压信号，声级计将此电压信 号放大(或衰减)、加权(A、B或C,也可不加权)、倍频程滤波(附加)、均方根检波和对 数转换，最后给出噪声的声压级、计权声级或倍频程声压级：还可以输出与成比例的电压信 号供监测、存储和频谱等分析之用。A/D杭滋皿浪 成 大- 备 抗源港滋声压吻铝柔显示声学测量倍频程分析方法流程图七、试验所需仪器设备：6、1动态信号测试分析系统lOfft动态信号测试分析系统网络型动态信号测试分析系统，应用范围非常广泛，一套系统，就可完成应 力应变、振动（加速度、速度、位移）、冲击、声学、温度（各种类型

12、热电偶、 钳电阻）、压力、流量、力、扭矩、电压、电流等各种物理量的测试和分析输入阻抗10MQII 40PF输入保护当满度值不大于10V时,输入信号大于±15V（直流或交流峰值）时， 输入全保护：当满度值为20V时，输入信号大于±30V（直流或交流峰值） 时，输入全保护输入方式GND、DC（单端、差分）、AC、ICP工作方式数据采集器单端输入、差动输入、ICP适调输入外接适调 器（选件）ICP适调器（带双积分硬件网络）、应变适调器、电 荷适调器、电荷适调器佛双积分硬件网络）、420mA 适调器、双恒流源应变适调器满度值±100mV. ±200mV、

13、7;500mV、±1V、±2V、±5V、±10V. ±20V最大分析频宽DC100kHz低通滤波器截止频率(-3dB±ldB)10、30、100、300、Ik、3k、10k、PASS（Hz） 八档分档切换平坦度小于O.ldB（羽截止频率内）阻带衰减大于一24dB/oct信号状态指示过载指示输入大于满度值，指示灯为红色，表示过载50mV指示输入小于满度的0.5%,指示灯为绿色，表示欠载模数转换器分24位2-AA/D转换器；辨率最大通道数每台仪器可有16通道或32通道，每台计算机可控制无限多通道通讯接口100Mbps以太网接口连续采样速率

14、 （存贮深度由计算 机剩余硬盘空间容 量决定）整数采样 速率所有通道（无限多）同时工作时，每通道10、20、 50、100、200、500、lk、2k、5k、10k、20k、50k、 100k 、200k（Hz）分档切换整数分析 频率所有通道（无限多）同时工作时，每通道5、10、 20、50、100 > 200、500、lk、2k、5k、10k> 20k、 50k、100k （Hz）分档切换：抗混滤波器滤波方式每通道独立的模拟滤波+实时数字波波组合抗混 滤波器：截止频率采样速率的1Z2.56倍，设置采样速率时同时同步 设定阻带衰减约 120dB/oct平坦度（分 析频率范围内）小于

15、O.ldB仪器工作电源交流电源220V, 50Hz直流电源10 18V使用环境适用于GB6587.1-86-II组条件外形尺寸236mm （宽）xl33mm （高）x317mm （深）（十六通道）：482mm （宽）xl33mm （高）x317mm （深）（三十二通道）。6、2声学测量传感器系统7声传感器是把外界声场中的声信号转换成 电信号的传感器。它在通讯、噪声控制、环境 检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下 探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应 用。自由声场定义：均匀的各向同性的非流动 媒质中，边界影响可以不计的声场。能感受声压并转换成可用输出信号的传感 器称为声压传感器。它有以下的几种实现形式:电阻变换式、压电式和电容式。压电式声乐传感器利用压电晶体的压电效 理想的测量传声器应该满足以下条件：防A3/vr为的加IED8的幻-S1户M=201用期也“虎笑W231E 和 ED6WW20-2*开RintiN(氏切46出础u。）*W诵1出阿林&