声学测量基础知识分享

一、声学测量的分类和难点

1.声学测量的分类

声学测量按目的可分为：声学特性研究（声学特性研究、媒质特性研究、声波发射与接收的研究、测量方法与手段的研究、声学设备的研究），声学性能评价和改善（声学特性评价、媒质特性评价）两类；按实验设备、场所分类又可分为实验室测量和外场测量。

2.声学测量的难点

环境因素影响大；

测量信号复杂；

测量空间多样；

测量精度低、量值传递误差大；

测量频域范围宽；

外场实验困难；

测量结果多用分贝表示。

二、换能器 (声源)、传声器、测量仪器

1.传声器的分类

传声器按工作原理可分为电动式和静电式：

电动传声器，是以电磁感应为原理，以在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器，常见的有动圈式和带式两种。

静电传声器，是以电场变化为原理的传声器，常见的有电容式和压电式两种。

传声器按与音响设备连接方式，又可分为：有线传声器和无线传声器。

2.传声器的灵敏度

传声器声压灵敏度，是指实际作用在传声器膜片上的声压与其开路输出电压之比。传声器灵敏度可分为声场灵敏度和声压灵敏度，而声场灵敏度又可分为平面自由声场灵敏度和扩散声场灵敏度。

传声器平面自由声场灵敏度，是指在给定频率的正弦声波激励下，传声器的开路输出电压与传声器放入声场以前传声器中心位置上平面自由声场声压之比；

传声器扩散声场灵敏度，是指传声器的开路输出电压与传声器放入扩散声场之前在传声器放置位置上的扩散声场声压之比。

声压灵敏度与声场灵敏度的区别

两者的频响曲线不同，特别在高频端；

使用场合不同。平面自由场灵敏度用于消声室等自由场环境下测试，而扩散声场灵敏度则用于扩散场中，声压灵敏度用于仿真等耳腔室内测量使用；

校准方法不同。自由声场灵敏度在消声室采用互易法校准，声压灵敏度在耦合腔中采用互易法校准。

传声器的指向性

传声器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性，传声器的指向性常用指向性图、指向性指数和指向性频率响应来表示。

传声器指向性图：在某一频率下的灵敏度随声波入射角的变化，用极坐标表示所得的曲线。

传声器的指向性指数：传声器某一频率的正向自由场灵敏度的平方与其同频率的扩散场灵敏度平方之比。用对数表示则为传声器的指向性指数。

传声器的频率响应：指在某一确定的声场中，声波以一指定的方向入射，并保持声压恒定时，传声器的开路输出电压随频率变化的曲线。

传声器的频率响应根据使用的场合不同可分为：

自由场频率响应：传声器置于自由声场中，其平面自由场灵敏度随频率变化的曲线。

声压频率响应：当传声器的声压灵敏度与频率之间的关系以声压灵敏度频率响应曲线来表示。

扩散场频率响应：当传声器的扩散场灵敏度与频率之间的关系，以传声器扩散场灵敏度频率响应曲线来表示。

有效频率范围

某一传声器的实际频响曲线与典型频响曲线相比，偏差在允许的范围内的最大频率间隔。对于每一类型的传声器，生产厂家都要给出一个典型的频率响应曲线的范围，并且为了保证其产品一致性，还需要规定实际频响曲线与典型频响曲线允许的误差。

传声器输出阻抗

每只传声器都有一定的内阻抗，从输出端测得的内阻抗的模就是传声器输出阻抗。一般以频率为1000Hz的阻抗值为标称值。

传声器的动态范围

指传声器所能接收声音的大小，以传声器的最高声压级减去等效噪声级就是该传声器的动态范围。其上限受到失真的限制，下限受到固有噪声的限制。

三、混响室、消声室测量材料性能

1.全消声室

六个面全铺设高效吸声材料的房间；

模拟近似自由场环境，没有反射声；

可用于测量声源声功率、辐射声源的指向特性等；

对高频声的吸收效果明显，对低频声的吸收取决于房间体积及吸声材料的厚度等特性。

2.半消声室

五个面铺设吸声材料，地面为光滑反射面的房间；

模拟半自由声场空间；

适用于对大型设备和机器进行声学测试。

3.混响室

在所有边界上能全部反射声能，并在其中充分扩散，能形成在各处能量密度均匀、在各传播方向作无规分布的扩散场的房间；

可用来测量声源声功率、材料吸声系数等；

房间表面尽量不规则，以使混响时间尽量长，保证声能充分扩散。

混响室法声源的声功率

混响室：一间体积较大（大于200m3)，墙的隔声和地面隔振都很好的特殊实验室，壁面坚实光滑，反射系数大于0.98，则室内离声源r 点的声压级为：

式中，Lw 为声源的声功率级；R 为房间常数；Rθ 为声源的指向性因数，其中4/R 反射声压，Rθ/4πr2 为直达声压。

房间常数R 表示这个房间对声音的处理能力，与房间的墙面面积和吸音能力有关。

式中，S 为混响室内各面的总面积；a 为平均吸声系数；Rθ 声源的指向性因数（取决于与声源与接收点的相对关系）

当声源在房间中央，以球面方式辐射，Rθ=1；

以半球面方式辐射，Rθ=2；

声源置于两墙面交接上，以1/4辐射，Rθ=4。

需要注意的是，在混响室内只要离开声源一定的距离，即在混响场内，与房间有关的反射声压远大于直达声压。

公式可近似写为：

混响场内，实际声压级不是完全相等的，必须取几个测点的声压级，求平均值。

被测声源的声功率级为：

注意

的计算：

消声室法测声功率

将声源放置在消声室或半消声室内进行测量的方法，其与混响室正好相反，内壁装有吸声材料能吸收98%以上的入射声能。消声室内的声场称为自由场。

测量时设想有一包围声源的包络面，将声源完全封闭其中，将包络面分为n 个面元，每个面元的面积为ΔSi，测定每个面元上的声压级Lpi，则得：

其中，包络面总面积

平均声压级：

四、声管测量材料性能

1.脉冲管法 (水声测量)

脉冲管主要用来测定无源材料的复反射系数，由此可以导出材料的其他声学特性参数，如声阻抗、纵波声速、衰件系数等，也可以用来测量插入损失IL 和回声降低Er。

(1) 脉冲管法对设备的要求

对声管的要求

管材：金属（最好为不锈钢），弹性模量应较大。

管壁厚：应大于等于内半径，即b-a/a≥1（b 外径，a 内径）。

管内径：根据声波导理论，应为1.84cw/2πfH，约为λ/4。

管长：由声波导理论，应为5cw/2fL，约为5λ。

管中：应充满除气、清洁的蒸馏水。

管垂直度：应用水平仪进行校准。

对换能器的要求

声功率：在使用频率范围内，有稳定的声功率输出。

辐射：应为平面波，采用平面活塞式使振动速度轴对称分布。

安装：与刚管间有良好的声学隔离，以减弱换能器激发管壁振动。

对样品的要求

形状：圆柱形，平板样品。

尺寸：使样品与声管内壁之间间隙＜0.2mm。

厚度：在 (0.3~0.6)λ 范围内，λ 为声波在样品中传播的波长。

表面：平整，厚度一致。

对标准反射体的要求

一般采用不锈钢，其厚度为测试中心频率的四分之一波长。

(2) 复反射系数的测量

在给定的测试频率上，分别测出放与不放样品时，换能器收到的第一次反射脉冲幅值A1 和A2 以及相应的相位Φ1 和Φ2，则有：

声软末端：

声硬末端：

(3) 纵波声速c 和衰减系数α 的测量

根据传输线理论，被测样品从声波入射方向看进去的阻抗为：

声软末端：

声硬末端：

式中，Zin 为样品输入阻抗；α 为材料的衰减系数；c 为材料的纵波声速；d 为样品厚度；ω 为角频率；ρ 为材料密度。

由样品前界面的反射系数，可求出样品的输入阻抗为：

式中，ρw、Cw 为声管中水的密度与声速；R、φ 为样品反射系数的模与相角。

声软末端：

声硬末端：