无响室与声音品质介绍与应用

無響室與聲音品質

Semi-anechoicchamber&SoundQuality系統噪音之量測環境根據ISO-7779之規定,電子產品或資訊產品之噪音量測,量測環境之背景噪音須較產品噪音低10~15dB(A),而一般電子產品噪音約30~50dB(A),是故背景噪音須降至15~20dB(A)左右,所測得的數據才能夠做為參考,因此無回響室及半無回響室,便成為最適合的量測環境。ISO3745規範之(半)無響室驗收項目背景噪音

→將麥克風單獨置於實驗室中央,計算實驗室內1/3octave

band的分貝值,扣去截止頻率以下頻率能量,加總後得出實驗室背景噪音。隔音量

→在實驗室外放置一喇叭,分別在實驗室內外各放置一組麥克風,經由兩者之間的音壓位準差值,計算無響室之減音量。

NR=SPL1-SPL2

NR(noisereduction):減音量

SPL1:外部平均聲壓位準值

SPL2:無響室內部聲壓位準值隔振量

→目的是要將地板傳來的振動經隔振系統後,將振動量在低頻(10Hz)以上的部份衰減掉,量測方式是以兩組振動加速規置分別置於實驗室內及實驗室下方地板,用激振器或人力跳動,以頻譜圖來分析隔振效果。截止頻率

→由吸音楔尺寸決定截止頻率,但精確值仍有賴測校判定。自由音場半徑

→物件最大長度L,自由音場開始於2L處。逆平方衰減法

→參考下頁圖表無響室逆平方衰減法則驗証400Hz以下,以25cm之電動喇叭鎖於一平面上模擬球音源400Hz~2000Hz之間,以10cm之電動喇叭鎖於一平面上模擬球音源2000Hz~10000Hz之間,以小於1.5cm圓柱管配合喇叭模擬球音源測試方位:1.室中心至天花板三垂直面交點之直線,共四點2.室中心至週圍任一牆面中央與天花板交點之直線,共四點,任選其二量測間隔:從基準點起,即離音源50cm起,每隔50cm量一點,共四次1/3octavebandcenterfrequency(Hz)630

800~50006300FullanechoicchamberAllowabledifference1.51.01.5Semi-anechoicchamberAllowabledifference(dB)2.52.02.5逆平方衰減法量測實例逆平方衰減法量測實例外部實體尺寸:(高)5.7mx(長)8.55mx(寬)8.1m內部有效尺寸:(高)4.0mx(長)6.05mx(寬)5.6m

有效容積為:135.52m3

最大量測物之體積:

0.6776m3吸音楔之尺寸:50cmx50cmx105cm主體隔振元件:Ø10cmx(高)5cm圓柱型橡膠隔振墊陣列截止頻率為:80Hz背景噪音:<=8dB(A)可執行之量測:SoundPowerSoundPressure

SoundQuality本公司現有之半無回響室,係由聲譜有限公司建造,相關之儲元如下:聲音量測實驗室之聲場需求◎逆二乘特性(InverSquareLaw):室內自由聲場性能,當距離增加一倍,音量衰減6分貝特性Question:ISO3745規範的實驗室標準中有正負值的誤差,若超過此標準,該如何解釋?

Ans:實驗室測校中的正負誤差值,主要與實驗室的:有效測試空間,吸

音楔材質,吸音楔形狀,金屬防音板隔音性能,夾層空氣牆寬度,實驗室重量與自然頻率之搭配,隔振材之選用…..等。有著密切的相關性。測試報告中,通常我們認為不符合逆二乘特性者,音量衰減應該都不到6分貝,但有時卻會看到音量衰減超越6分貝的情況,不禁讓我們想到…,難道實驗室吸音性能超越了自由音場的標準?!?其實不是,而是波型相消的效果,同樣的頻率若因空間及結構的反彈,使得波型翻轉了180度,就會對原波形產生相消效果,使得這組頻率附近的能量不尋常的向下降低,這其實是實際聲場情況有變的緣故。◎截止頻率(CutoffFrequency):壁面吸音楔之吸音性能,對於垂直方向入射聲波,吸音楔正向吸音係數

αn

大於0.99之最低頻率

。Question:吸音楔之外形對聲場之影響為何?Ans:國外專業實驗室對吸音材之要求,除吸音材之吸音係數之外,尚對吸音材之機何外形有一定的要求,若材質的本身的吸音係數能搭配適當之幾何外形,會有以下優點:1.可以稍稍增加聲音傳播距離,因為聲能會因為距離增加而消散,頻率愈高,消散距離愈短;頻率愈低,消散距離增長,亦難隔離2.音源進入吸音材後不可能完全吸收,幾何造形可以使聲波進行吸音材間反射,聲波每在吸音材間的反射一次都會被吸音材吸收掉一些能量,多次反射之後,聲音再反射回實驗中央的情況將會被降到最低3.吸音楔愈大,吸音效果愈佳,低頻吸收情況亦更好,但有極限4.吸音楔前緣愈尖,幾何隔音效果愈好5.吸音楔之材質孔隙率愈高愈好,性能:玻璃纖維>海綿

空孔數/單位體積搭配空孔總體積/單位體積

◎室內使用空間:麥克風放置位置需要至少離吸音楔壁面λ/4(λ:截止頻率波長)以上,距離被測物最少2L以上(L被測物之最大邊長),待測物(EUT)體積須為實驗室有效容積(從吸音楔前緣算起)的1/200,否則要修正高頻之空氣吸收量。semi-anechoicchamber:

內部有效體積:4.0x5.6x6.05=135.52m^3

截止頻率=80Hz

λ/4=(346/80)/4=1.08125m

待測物最大體積=135.52/200=0.673√0.67=0.878m

半圓球體積=(4/3r^3)/2(4/3(2x0.878)^3)/2=11.33m^3

自由音場區域:(5.6-2.16)x(6.05-2.16)x(4-1.08)-11.33

=27.74m^3…..…測試物最大時,截止頻率較低時聲音品質SoundQuality何謂音質(SoundQuality)?傳統聲音量測方式,一般是以聲壓計所量測的聲壓位準加上A加權曲線作為一般習知的聲音評價標準。但此方式往往無法確切描述聲音真實情況,常發生的情況是:產品的噪音測試已合乎傳統量測標準,可是所得到的數據卻無法有效的描述某些的細微但卻刺耳的異音有鑑於異音的產生,可能來自於各種不同的音源,沒有縝密的分析及精準的回放聆聽,就無法正對問題的核心來解決問題。

為徹底解決異音所造成的困擾,公司目前引進了世界最先進的德國HeadAcoustics聲學量測系統,以各種方式分析音源的聲紋,如:

1/nthoctavebandSoundpressurelevel

(1/3八度音帶聲壓位準)

FFT頻譜(快速傅立葉轉換)

Loudness(響度值)

ProminenceRatio(音調突出比)

FluctuationStrength(波動強度)

Roughness(粗糙度)

Sharpness(尖銳度)利用這些分析,可以使吾人清楚的了解聲音所代表的真實情況,將資源用於決解真正的問題。本公司所使用之測試儀器為德國Head聲學公司及美國LarsonDavis公司所製作,由宏衛科技股份有限公司代理進口及系統維護。★16位元仿真人頭量測系統

(Digital16-bitHeadMeasurement

System):HMS-III

★移動式多通道分析儀(MobileSoundQualityLaboratory)

:SQLabII

SQLabII專用多通道模組(6ChannelmoduleforSQLabII):DIC-61

SQLabII專用輸出/輸入模組(Input/OutputModuleforSQLabII):EBU-20★可程式等化聲音回放系統(ProgrammableEqualizerplaybackSystem):PEQ-IV

PEQ-IV回放專用耳機(ElectronicHEADphone):HA-II.1目前本公司所使用之量測系統如下:

★聲紋分析軟體ArtemiSAnalysisSoftware(HeadAcoustics):

聲紋分析基本模組:ArtemisBasic

聲紋回放模組(ArtemisPlaybackModule):ATP01

心理聲學模組(ArtemisPsychoacousticsModule):ATP02

輸入信號處理模組(ArtemisSignatureModule):ATP03

1/n八度音頻譜分析模組(ArtemisOctaveAnalysisModule):ATP04

進階分析模組(ArtemisAdvancedAnalysisModule):ATP07

★聲功率之麥克風陣列(G.R.A.S.)

精密電容式麥克風(PrecisionCondenserMicrophone):GRAS40AE

ICP電源前置放大器(ICPPowerPreamplifier):TMS426C01

★聲壓量測儀器

精密電容式麥克風(HighSensitivityPrecisionCondenserMicrophone):2541

低噪音麥克風前置放大器(

LowNoiseMicrophonePreamplifier):PRM-902

第一級麥克風校正器(Class1MicrophoneCalibrator):CAL-200

整合式聲壓量測計(IntegratingSoundLevelMeter):824S聲質量測設備簡介<仿真人頭麥克風>ArtificialHeadHMS-III<移動式多通道分析儀>SQLabII<聲音等化回放系統>PEQ-VI<聲音分析軟體>AnalysisArtemiS<半球型麥克風陣列>HemisphereMICarray<移動式多通道分析儀>SQLabII聲功率量測設備簡介<聲音分析軟體>AnalysisArtemiS聲壓測設備簡介<高感度精密麥克風>LarsonDavis2541Microphone+PRM902Preamplifier

<整合式聲壓量測器>LarsonDavis824S<精密麥克風校正器>LarsonDavisCAL200AcousticCalibrator報告輸出方式ArtemiS

軟體內建功能:☆螢幕影像轉成JPEG.BMP.TIFF格式圖檔。☆勾選Destination功能中的EXCEL選項,以Excel格式輸出所得數據。☆於Destination功能中,新增(insert)ASCII格式輸出選項,如此將得到純文字格式(*.txt)的檔案資料。空氣之質點速度:UU=P/C=(1/C)xPoxCOS(k(x-ct))=(N/m2)/(N.sec/m3)=m/sec

Note:F=ma………N=Kgx(m/sec2)P:聲壓=N/m2:空氣密度=1.18kg/m3C:音速(即聲波之傳播速度)=344.4m/secC:單位時間單位面積之通過質量=406rayls

1rayls=1kg/m2.sec=1N.sec/m3聲強度單位時間通過單位面積之聲波能量稱之:

I=PxU=Po2/Cxcos2(k(x-ct))

I=P2rmsx

(1/C)

Note:U=空氣質點之速度

P=聲場之聲壓

Prms=均方根聲壓聲功率由點音源單位時間所幅射出之功稱為聲場功率,假設距點音源(PointSoundSource)r處,則聲場功率與聲場強度之關係為:

I=W/(4r2)W=(4r2)xI

=(4r2)x(P2rms

x

(1/C))聲壓位準按國際標準組織ISO音響委員會之定義:聲壓位準(SoundPressureLevel)

LP=10log(P2/Pr2)=20log(P/Pr)聲強度位準(SoundIntensityLevel)

LI=10log(I/Ir)聲功率位準(SoundPowerlevel)LW=10log(W/Wr)Note:Pr=2X10-5N/m2,Ir=10-12Watt/m2,Wr=10-12Watt

Pr參考音壓之選定係根據ISO在實驗室測量一聽覺敏銳之年青人,對於1000Hz之純音的最低可聽聞度,其音壓約為

2X10-5N/m2

爾後便以該值定為音壓位準之參考。聲壓,聲功率,聲強度之關係在標準狀態(72.5℉,或22.5℃)時,C=406rayls。

I=P2/C故

I0=(2X10-5

)/406≒10-12Watt/m2

W0=I0x1m2≒10-12Watt聲壓與聲功率互換

I0=10log(I/I0)=10log(P2/CI0)

=10log(P2/P02)+10log(P02/CI0)=LP-10logK

NOTE:

式中的

K=(CI0)/P02=(Cx10-12)/(2x10-5)2=(C/4)x10-12

在一大氣壓(P=1.013x10-5N/m2)及T=25℃時,C=408.28,故K=(408.28/4)x10-12=1.0207

10log(1.0207)=0.08898dB

因此

LI=LP-0.08898……………所以

LILP依據聲功率與聲強度之關係

W=SxI,W0=I0x1m2

W:聲功率I:聲強度

S:包圍點音源之封閉曲面面積故LW=10log(W/W0)=10log(SxI)/W0=10logS+10log(I/I0)

Lw=10logS+LI

Lw=10logS+LP聲音取樣方式聲音之取樣方式包含有時域及頻域控制1.時域控制包含間隔取樣、連續取樣

間隔取樣常為一般手持式聲壓計所使用,取樣形態有:

Slow:1s每1秒取樣一次

Fast:125ms每1/8秒取樣一次

Impulse:35ms,decay1500ms每7/200秒取樣一次,

(Peakhold)

衰減時間為1.5秒

連續取樣取樣方式以Hz/s表示,原因為其取樣數量極為龐大用於錄取完整之波形,

常用之取樣數如下表所示:DVD48kHz/S,96kHz/SCD44.1kHz/SFM32kHz/SPC22.05kHz/SNetMeeting8kHz/S2.頻域控制目前一般人均使用十進位方式來計數,但電子儀器內部計算則是以二進位方式來計數,因此當二者在進行交換時,無可避免會出現許多小數,因此誤差也會跟者出現,為了減少十進位轉換二進位時產生的誤差,因此頻域分割上便直接使用二進位來計算。所謂的八度音就是所謂的Do-Re-Mi-Fa-So-La-Si-Do’,

其中的Do=264Hz,而Do’=528Hz,528/264=2

,意即每一八度音,頻率就增加二倍,因此我們要分割一組八度音時,便直接以

21/n

來切割,闢如吾人最常使用的1/3八度音頻譜,就是以

21/3=1.2599的倍數來分割八度音,也就是取264、332、419、528來做為取樣頻率。為了方便,噪音計算中的八度音與實際的八度音頻率並不相同,而是偏移到整數位,以使表示上較為方便。FrequencyBandWith(Hz)557089112141178224282355447562708891112214131778223928183548446756237079891311220141301778063801001251602002503154005006308001000125016002000250031504000500063008000100001250016000200007089112141178224282355447562708891112214131778223928183548446756237079891311220141301778022390CenterLowerUpper1/3octaveband(1/3八度音頻帶)631252505001000200040008000160001/1octaveband(八度音頻帶)Center聲壓位準之合成原理在吾人在求得1/3八度音之聲壓位準後,必須予以合成才能知道噪音的總位準

已知dB=LP=10log(P2/Po2)LP1=10log(P12/P02)

Lp2=10log(P22/P02)TotalPPt2=P12+P22

LP=10log(P12+P22)/P02=10log(Pt2/P02)

LP=10log(10(LP1/10)+10(LP2/10))分貝合成與分貝相減之簡易法則分貝合成

Ex1:L1=36dBL2=32dB

Lcomb=36+1≒37EX2:L1=50dB

L2=40dBLcomb=50+0≒50二分貝數間之差將較高之分貝數加上下列值0~1dB2~3dB4~9dBMorethan9dB3dB2dB1dB0dBLcomb=combineLevel合成位準分貝相減

Ex1:Lcomb=38dBL1=36dB

Lcomb-L1=2dB

查上表

L2=Lcomb

-5≒33dB若(Lcomb-L1)為則L2較Lcomb少0dB1dB2dB3dB4dB5dB6~10dBMorethan10dBMorethan10dB5~10dB4~5dB3~4dB2~3dB1~2dB1dB0dBLcomb=combineLevel合成位準加權網絡(WeightNetworks)D-加權(D-Weight):測校飛機噪音專用。C-加灌(C-Weight):主要用以校正85dB以上之聲壓位準。加權網絡乃針對各種頻率之噪音聲壓位準主觀地評估其對人耳所感受之衝擊,加權曲線可分為:B-加權(B-Weight):主要用以校正55dB~85dB之聲壓位準。A-加權(A-Weight):用以處理55dB以下之聲壓位準,乃為最常用的一種加權,表示法為dB(A);此種加權直接校正壓位準與人耳聽覺之差異。F-加灌(Flat-Weight):不使用任何加權,用於觀測實際音壓之分佈情況。人耳構造圖(EqualLoudnessContours)人耳聽覺感受圖(EqualLoudnessContours)小聽骨(鐙骨)的振動使得卵圓窗來回運動,因此振動了耳蝸內的淋巴液,這造成了基底膜上下移動基底膜的上下移動造成附近的耳蝸部份隨時間而擺動。耳蝸內的振動會由卵圓窗進入上通道繞過耳蝸尖端後進入下通道使得下通道同步振動,接著振動便會傳至圓窗然後離開耳蝸。不同區段的基底膜會有不同的共振頻率,這會造成某特別頻率的最大位移,因此可以區分不同的頻率。等響度曲線(EqualLoudnessContours)響度的單位為“