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【微分享】第一部分 聲學(xué)基礎(chǔ)知識
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合作公眾號:機(jī)電原理
作者授權(quán)發(fā)布,歡迎關(guān)注
什么是聲學(xué)
聲學(xué)是物理學(xué)的一個二級學(xué)科,是研究媒質(zhì)中機(jī)械波(即聲波)的科學(xué),研究范圍包括機(jī)械波的產(chǎn)生、接受、轉(zhuǎn)換和機(jī)械波的各種效應(yīng)。最簡單的聲學(xué)就是聲音的產(chǎn)生和傳播,這也是聲學(xué)研究的基礎(chǔ)。簡單點(diǎn)說聲學(xué)就是研究聲波的科學(xué)。
聲學(xué)有哪些分支
這個可以看一下經(jīng)典的美國著名聲學(xué)家林賽1964年提出的聲學(xué)范圍圖。圈出來是本文會涉及的一些聲學(xué)的內(nèi)容。
聲音、聲波、頻率、波長
聲音是由物體振動產(chǎn)生的聲波通過介質(zhì)(空氣或固體、液體)傳播并能被人或動物聽覺器官所感知的波動現(xiàn)象。
聲波是聲音的傳播形式,發(fā)出聲音的物體稱為聲源。聲波是一種機(jī)械波,由聲源振動產(chǎn)生,聲波傳播的空間就稱為聲場。
聲波傳播示意:聲波造成與聲源不同距離處的壓力變化,中間的一條水平線代表空氣處于正常的大氣壓力,起伏曲線代表因聲波經(jīng)過時空氣壓力的增加和減少,這條波形曲線隨著時間變化的像水面的波紋一樣,所以稱為聲波。
波長=波速/頻率,
波速一般是340米/秒;人耳聽到的聲音的頻率是20HZ~20KHZ,所以得出人耳聽到的聲音的波長:0.017m~17米。
聲波是“縱波”,它的傳播方向和振動方向相同。
根據(jù)定義,頻率是聲音的音調(diào)或音符的量度。諸如長笛的聲音很高,聲音低至2000Hz,而諸如大號的聲音則聲音很低,低于30Hz。重要的是要注意,人類只能聽到20Hz到20,000Hz之間的聲音-隨著年齡的增長,能感知聲音范圍會逐漸縮小。
聲速
聲音的傳播需要物質(zhì),物理學(xué)中把這樣的物質(zhì)叫做介質(zhì)。
聲音在不同的介質(zhì)中的傳播速度不同;一般說來,音速的數(shù)值在固體中比在液體中大,在液體中又比在氣體中大。音速的大小還隨大氣溫度的變化而變化,在對流層中,高度升高時,氣溫下降,音速減小。在平流層下部,氣溫不隨高度而變,音速也不變,為295.2米/秒。空氣中的音速,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下約為340米/秒,或1224公里小時。
  • 真空0m/s(也就是不能傳播)

  • 空氣(15℃)340m/s

  • 空氣(25℃)346m/s

  • 軟木500m/s

  • 煤油(25℃)1324m/s

  • 蒸餾水(25℃)1497m/s

  • 海水(25℃)1531m/s

  • 銅(棒)3750m/s

  • 大理石3810m/s

  • 鋁(棒)5000m/s

  • 鐵(棒)5200m/s

聲音的反射
聲波在傳播過程中,如果遇到表面有凸凹變化的反射面,就會被分解成許多小的比較弱的反射聲波,這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散反射。
(1對頻率為100Hz聲音的定向反射,聲音的波長(3.4m)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面的不規(guī)則性;對波來說仍是平面,反射為鏡像反射。
2)對頻率為1kHz聲音的擴(kuò)散反射,聲音的波長(0.34m)與表面不規(guī)則的尺度相當(dāng)(>波長1/7)反射為擴(kuò)散反射。
3)對頻率為10kHz聲音的定向反射,聲音的波長(0.034m)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面不規(guī)則的尺度,這是由各表面產(chǎn)生的定向反射。
聲音全反射
聲音在兩種介質(zhì)中傳播,當(dāng)從一種介質(zhì)傳到另一種介質(zhì)時,聲音發(fā)生全反射,則該介質(zhì)是聲密介質(zhì),聲密介質(zhì)中聲速小于聲疏介質(zhì)(這一點(diǎn)與光波相同)。但由于光波和聲波性質(zhì)不同,因此光密介質(zhì)未必是聲密介質(zhì)。
聲音在空氣中的速度是每秒340米,而在水中則是每秒1500米,所以對于聲波來說,空氣反倒成為了聲密介質(zhì),而水則是聲疏介質(zhì)。如此一來,全反射現(xiàn)象就將發(fā)生在聲音從空氣傳到水面的時候,對于聲波來說,其全反射的臨界角為13.1°,也就是說大部分聲音都無法進(jìn)入水下,所以在水里是很難聽到外邊有什么聲音。
聲波的衍射
當(dāng)聲波在傳播過程中遇到一塊有小孔的障板時,并不像光線那樣直線傳播,而是能繞到障板的背后繼續(xù)傳播,改變原來的傳播方向,這種現(xiàn)象稱稱為繞射。如果孔的尺度(直徑d)與聲波波長A相比很小時,小孔處的空氣質(zhì)點(diǎn)可近似看作一個集中的新聲源,產(chǎn)生新的球面波。當(dāng)孔的尺度比波長大得多時新的波形則比較復(fù)雜。聲波的頻率譜越低繞射的現(xiàn)象越明顯。
聲波的透射與吸收
當(dāng)聲波入射到建筑材料或部件時一部分聲能被反射,一部分被吸收,還有一部分則透過建筑部件傳遞到了另一遍。聲波在空氣中傳播時,由于振動的空氣質(zhì)點(diǎn)之間摩擦使一小部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能,常稱為空氣對聲能的吸收。高頻吸收較多,低頻吸收較少。聲波投射到材料或部件引起的聲吸收,取決于材料及其表面的狀況、構(gòu)造等。材料的吸聲效率是用它對某一頻率的吸聲系數(shù)衡量。材料的吸聲效率是用它對某一頻率的吸聲系數(shù)衡量。
多普勒效應(yīng)
當(dāng)列車進(jìn)站時,我們聽到汽笛聲不僅越來越大,而且音調(diào)升高;列車離去時,汽笛聲不僅越來越小,而且音調(diào)降低。這種由于波源或觀察者的運(yùn)動而出現(xiàn)觀測頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象,稱為多普勒效應(yīng)。
近場、遠(yuǎn)場、自由場、擴(kuò)散場
1、遠(yuǎn)場
聲遠(yuǎn)場定義為在距聲源2個波長距離處開始,至無窮遠(yuǎn)處,如下圖所示。由于波長與頻率有關(guān),因此不同的頻率的聲音,實(shí)際遠(yuǎn)場的物理范圍是不同的。
在遠(yuǎn)場中,聲源可以認(rèn)為是足夠遠(yuǎn),所有它可以看成是一個點(diǎn)。在此距離下,聲波的包絡(luò)面球形的半徑足夠大,可以近似為平面波,而沒有曲率。此時,單個麥克風(fēng)就能測得準(zhǔn)確的結(jié)果,并且距聲源的距離每增加一倍,遠(yuǎn)場的聲壓級將下降6dB。在許多聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中,通常會指定距發(fā)聲物體至少一米的距離進(jìn)行測量,以確保所關(guān)心的頻率段已經(jīng)處于遠(yuǎn)場。
2、近場
當(dāng)近距離的靠近聲源時,聲波的表現(xiàn)就復(fù)雜多了,同時聲壓和距離也沒有固定的關(guān)系了。當(dāng)靠聲源非常近時,聲音在聲源的振動表面附近來回循環(huán),不會向外傳播。當(dāng)我們稍稍遠(yuǎn)離聲源時,部分聲場能量會繼續(xù)來回循環(huán),另外的則會傳播出去,如下圖所示。
聲音在近場傳播時,來回循環(huán)的與向外傳播兩種形式的能量混合在一起,使得聲音的傳播與距離沒有固定的關(guān)系,因此傳播的方式是不可預(yù)測的,直到達(dá)到2個波長的距離后,才會按照正常的規(guī)律進(jìn)行傳播。當(dāng)測量近場中的聲壓時,使用單個麥克風(fēng)進(jìn)行測量可能不準(zhǔn)確。
3、自由場
在自由場中,是沒有任何聲音的反射的,聲波從聲源直接傳遞到接受者處,也就是說,聲波值向外傳遞一次,不會再返回。
如下是兩個自由聲場的典型案例:
  • 聲源距離足夠遠(yuǎn),以至于它可以被看作是點(diǎn)聲源,距離很遠(yuǎn),比如在晴朗的天氣中在高空飛行的飛機(jī)發(fā)出的聲音。

  • 全消聲室就是一種特殊的自由聲場,它通過布置在四周的吸音材料將直達(dá)的聲音全部吸收,不會進(jìn)行反射。

4、擴(kuò)散場
擴(kuò)散場中的,聲波從各個方向到達(dá)接受者的位置。在擴(kuò)散場中使用麥克風(fēng)測量聲壓,各個位置的幅度都是相同的,即,聲音水平到處都是一樣的。用于進(jìn)行聲學(xué)材料測試的混響室如下圖所示:
進(jìn)行混響室設(shè)計(jì)時,使用傾斜角度的反射墻是一個重要的因素,因此墻之間不會相互平行,這會是聲波在房間周圍被反射最多次,從而有助于形成擴(kuò)散場。通常,墻壁會做成半球形狀的凸起,以增加波擴(kuò)散,從而增加聲場的擴(kuò)散性,如上圖所示。
有時候,很難通過肉眼的觀察來確定目前的聲場到底是什么聲場,不過可以通過如下的一些客觀判斷方法進(jìn)行判別:
  • 如果在自由場中,離聲源的距離加倍時,聲壓級降低6dB。

  • 在諸如混響室的擴(kuò)散場中,無論在何處使用麥克風(fēng)測量聲壓,都是相同的。

區(qū)別:
  • 聲場零反射,聲場內(nèi)僅存在直達(dá)聲;

  • 聲場中的聲壓處處相等,且聲場內(nèi)無任何吸聲作用。

上述這兩個極端聲學(xué)環(huán)境分別是自由場和擴(kuò)散場。
聲壓
聲壓可以類比成電壓(和電壓真的很像,比如均方根值,有效值等于最大值/根2,看起來就覺得親切),用來反映聲波強(qiáng)弱。
聲壓是指相對于無聲時壓力的改變量;聲壓表示該噪聲源產(chǎn)生的聲波,對空間內(nèi)某點(diǎn)的大氣壓強(qiáng)有所擾動,而擾動引起的大氣壓強(qiáng)變化,就是聲壓。
存在聲壓的空間稱為聲場聲場中某-瞬時的聲壓值稱為瞬時聲壓。在一定時間間隔中最大的瞬間聲壓值稱為峰值聲壓或巔值聲壓。如果聲壓隨時間的變化是桉簡諧規(guī)律的,則峰值聲壓也就是聲壓的振幅。在一定時間間隔中,瞬時聲壓對時間取均方根值稱為有效聲壓。聲壓的大小反映了聲波的強(qiáng)弱,聲壓的單位為Pa(帕)。對于簡諧波,有效聲壓可以表示為:
下面舉出一些有效聲壓大小的典型例子:人耳對1kHz聲音的可聽閾(即剛剛能覺察到它存在時的聲壓)約2X10-5Pa;微風(fēng)輕輕吹動樹葉的聲音約2X10-4Pa;在房間中的髙聲談話聲(相距1m處)約0.05Pa~0.1Pa;交響樂演奏聲(相距5m~10m處)約0.3Pa;飛機(jī)的強(qiáng)力發(fā)動機(jī)發(fā)出的聲音(相距5m處)約200Pa。
聲功率
這個就是功率了,聲音的功率和其他功率差不多,聲源振動介質(zhì)就是機(jī)械做功。
聲源輻射聲波對外做功。聲功率是指聲源在單位時間內(nèi)向外輻射的聲能,記為W,單位為(W)或微瓦(μW,10-6W)
聲強(qiáng)
聲強(qiáng)可以類比成電功率和壓強(qiáng)的結(jié)合體,是單位面積上的功率,數(shù)值上和聲壓的平方成正比,類似于功率和電壓的平方成正比。
聲強(qiáng)指聲波傳播的能流密度,即在單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單位面積的聲音能量。聲源在某點(diǎn)發(fā)出的聲波,向外傳播,聲強(qiáng)I的單位是W/m2。
聲強(qiáng)=【有效聲壓的平方】除以【空氣密度*空氣中音速】(有效聲壓是指瞬時聲壓對時間取均方根值,平常也指聲壓,兩者可以運(yùn)算不可等同);在自由場中,聲強(qiáng)與介質(zhì)密度與聲速的乘積成反比,而與該處的聲壓的平方成正比,即:
(功率=電壓的平方除以電阻,一樣的配方)
式中:
p——有效聲壓,2/mN;
p0——空氣密度,3/mkg;
c——空氣中的聲速,s/m;
p0c——空氣的介質(zhì)特性阻抗,20o時,其值為415(N?s)/3m。
凡能引起正常聽覺的聲波,對聲強(qiáng)有一定范圍的要求,這個范圍跟聲波的頻率有關(guān),對于每個特定頻率的聲波,要引起聽覺,其聲強(qiáng)有大小兩個極值.若根據(jù)正常聽覺的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以頻率為橫坐標(biāo),以聲強(qiáng)為縱坐標(biāo),將各種頻率的聲強(qiáng)上下限坐標(biāo)連起來,低于下限的聲強(qiáng),不能引起聽覺.凡超過上限的聲強(qiáng),使人耳有痛感.故上下限曲線間的區(qū)域即為聽覺范圍。因此凡能引起人的聽覺的聲波,除對頻率要求在20-20000Hz外,還要求聲強(qiáng)范圍在10-12-1W/m2。
聲強(qiáng)與聲壓幅值或質(zhì)點(diǎn)速度幅值的平方成正比;此外在相同質(zhì)點(diǎn)速度幅值的情況下,聲強(qiáng)還與媒質(zhì)的特性阻抗成正比,例如在空氣和水中有兩列相同頻率、相同速度幅值的平面聲波,這時水中的聲強(qiáng)要比空氣中的聲強(qiáng)約大3600倍,可見在特性阻抗較大的媒質(zhì)中,聲源只需用較小的振動速度就可以發(fā)射出較大的能量,從聲輻射的角度來看這是很有利的。
聲阻抗率與媒介質(zhì)的特性阻抗
ρ0c(ρ0介質(zhì)密度,c介質(zhì)的聲速)值是媒質(zhì)固有的一個常數(shù),這個量在聲學(xué)中具有特殊的地位,考慮到它具有聲阻抗率的量綱,所以稱ρ0c為媒質(zhì)的特性阻抗.單位為N·s/m3或Pa.s/m。類比成電阻吧,介質(zhì)的本身特性)
對空氣,當(dāng)溫度為0壓強(qiáng)力標(biāo)準(zhǔn)大氣壓A=1.013X106Pa時,ρ0=1.293kg/m3,c=331*6m/s,ρ0c=428N·s/m%。
當(dāng)溫度為20時,ρ0=1.21kg/m3,c=344m/s,ρ0c=415N.s/m。
對于水,當(dāng)溫度為20°0時,ρ0=998kg/m3,c=1480m,ρ0c=1.48XI05N.s/m3。
平面聲波的聲阻抗率數(shù)值上恰好等于媒質(zhì)的特性阻抗,如果借用電路中的語言來形象地描述此時的傳播恃性的話,可以說平面聲波處處與媒質(zhì)的特性阻抗相匹配.
dB分貝-聲壓級和聲強(qiáng)級關(guān)系
因?yàn)槁曊駝拥哪芰糠秶鷺O其廣闊,人們通關(guān)系常講話的聲功率約只有10-5w,而強(qiáng)力火箭的噪聲聲功率可高達(dá)109W,兩者相差十幾個數(shù)量級.顯然對如此廣闊范圍的能量,用對數(shù)標(biāo)度要比用絕對標(biāo)度方便些;另一方面從聲音的接收來講,人的耳朵有一個很“奇怪”的恃點(diǎn)當(dāng)耳朵接收到聲振動以后,主觀上產(chǎn)生的“響度感覺”并不是正比于強(qiáng)度的絕對值,而是更近于與強(qiáng)度的對數(shù)成正比。基于這兩方面曲原因,在聲學(xué)中普遍使用對數(shù)標(biāo)度來度量聲壓和聲強(qiáng),稱為聲壓級和聲強(qiáng)級其單位常用dB(分貝)表示(聲強(qiáng)I與標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)I0之比的對數(shù)稱作聲強(qiáng)I的聲強(qiáng)級,用L表示,即L=lg(I/I0).單位為貝爾,用Bel表示,不過這個單位在實(shí)用上太大,故常更用貝爾的1/10,即分貝(dB)作為單位。(這個讓我想起電氣的標(biāo)幺法來,都是為了看起來方便,結(jié)果弄得沒有那么直觀了)
聲壓級是大氣壓強(qiáng)變化值與參考聲壓(參考聲壓2X10-5Pa,該值是正常青年人耳朵剛能聽到的1000Hz純音的聲壓值)的比值的對數(shù)對數(shù)值的20倍,或者說聲壓平方對數(shù)比值的10倍比較好。
聲強(qiáng)級是聲強(qiáng)值與參考聲強(qiáng)的比值的對數(shù)對數(shù)值的10倍。在空氣中,參考聲強(qiáng)L一般取10-12W/m2,這一數(shù)值是與參考聲壓2X10-5Pa相對應(yīng)的聲強(qiáng)(計(jì)算時取空氣的特性阻抗為400N.s/m),這也是1kHz聲音的可聽閥聲強(qiáng)。
一般條件下空氣中聲壓級與聲強(qiáng)級數(shù)値上近于相等;但在其他情況下會有一些變化。例如在水中很小的聲強(qiáng)就可以產(chǎn)生一個很大的聲壓,在高壓空氣稀薄的地方很大的聲強(qiáng)才能產(chǎn)生一個很小的聲壓,所以我們在青藏高原上說話要更大聲的喊。聽覺的絕對閾限是人的聽覺系統(tǒng)感受到最弱聲音和痛覺聲音的強(qiáng)度;它只與頻率和聲壓有關(guān)。
就是因?yàn)樵谡撌鲞^程中,上述三者均可能會用dB表示,所以會產(chǎn)生混淆。所以可以通過類比的方式,來解釋這三者之間的區(qū)別與聯(lián)系。
這三個術(shù)語都是對聲音進(jìn)行不同方面的測量,均可用分貝dB表示,如下圖所示。此處的分貝并不是度量單位,與聲壓相似,dB不是一個直接的度量單位,而是通過測得的值與基準(zhǔn)值相比再取對數(shù)得到的。
為了使讀者對聲壓級的大小有一個粗略數(shù)量概念,舉一些典型例子:人耳對頻率為1kHz聲音的可聽閾為0dB;徽風(fēng)輕輕吹動樹葉的聲音約14dB;在房間中髙聲談話聲(相距1m處)約68dB~74dB;交響樂隊(duì)演奏聲(相距5m處)約84dB;飛機(jī)強(qiáng)力發(fā)動機(jī)的聲音(相距5m處)約140dB;—聲音比另一聲音聲壓大一倍時大6dB人耳對聲音強(qiáng)弱的分辨能力約為0.5dB。
響度、響度級與等響曲線
響度,它除與和聲源的距離有關(guān)外,還取決于人耳的靈敏度,即同一聲強(qiáng)的聲波對于不同人來講,響度可能不同。
直觀上的“響”與“不很響”的感覺在聲學(xué)上如何定量描述呢?這個問題的復(fù)雜性在于人耳感覺的“響”或“不響”與聲波的強(qiáng)度既有關(guān),又不完全是一回事。實(shí)驗(yàn)表明,它不僅與聲波強(qiáng)度的對數(shù)近于成正比,而且與聲波的頻率也有關(guān),例如對兩個聲壓同為0.002Pa、但頻率不相同的純音(如分別為100HZ及1000HZ)人耳聽起來卻不一樣響,實(shí)驗(yàn)表明,要使100HZ的純音聽起來和0.002Pa的1000HZ純音同樣響,它大約應(yīng)有0.025的聲壓。
響度是人耳判別聲音由輕到響的強(qiáng)度等級概念,響度的單位叫“宋”。1宋的定義為聲壓級為40dB,頻率為1000Hz,且來自聽者正前方的平面波形的強(qiáng)度。如果另一個聲音聽起來比這個大幾倍,則聲音的響度為幾宋。
實(shí)用上為了定量地確定某一聲音的輕與響的程度,最簡單的方法就是把它和另一個標(biāo)準(zhǔn)的聲音(通常為1000HZ純音)相比較,調(diào)節(jié)1000HZ純音的聲壓級,使它和所研究的聲音聽起來有同樣的響,這時1000HZ純音的聲壓級就被定義為該聲音的響度級,響度級的單位稱為方。例如,當(dāng)1000HZ純音的聲壓級為80dB時與某一揚(yáng)聲器發(fā)出的音聽起來同樣地響,那么不管揚(yáng)聲器聲音的聲扭級為多少,它的響度級被認(rèn)為是80方。按照以上規(guī)定,顯然對1000HZ的純音,其以分貝計(jì)的聲強(qiáng)級與以方計(jì)的響度級數(shù)值上是相等的。人們曾做過很多實(shí)驗(yàn)以測定響度級與頻率及聲壓級的關(guān)系,下圖就是一般人對不同頻宰的純音感覺為同樣響的響度級與頻率的關(guān)系曲線,通常稱為等響曲線。由于這些曲線的縱坐標(biāo)是測量靠近耳朵處的聲強(qiáng)級,這時外耳道的腔共振提高了4000HZ附近的靈敏度,如果縱坐標(biāo)是測量耳膜處的聲強(qiáng)級,那么人耳對1000HZ聲音最靈敏,對低頻及高頻聲波的靈敏度都要大大降低。
響度與響度級的關(guān)系。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)得到,響度級每改變10方,響度加倍或減半。響度級的合成不能直接相加,而響度可以相加。
等響曲線(又稱ISO等響曲線)
這個現(xiàn)象,在1933年被兩位學(xué)者所揭示,分別是是Fletcher(弗萊徹)和Munson(芒森),由于首次雙耳聽音和相對自由場條件下的完整的等響曲線由Fletcher和Munson給出,等響度曲線又被稱之為“Fletcher-Munsoncurves”,即“弗萊徹芒森曲線”。
人耳剛剛能聽到的聲音,其響度級即零響度級曲線稱為可聽閾,一般講來,低于此曲線的聲音就不能聽到;圖中最上面的曲線是痛覺的界限,稱為痛覺閾,超過此曲線的聲音,人們的耳朵感到的更的是痛覺。由曲線可以看出,人耳能感受為聲音的聲能量(聲強(qiáng))范圍達(dá)1012倍(聲強(qiáng):一萬億倍,相當(dāng)于120dB,聲壓范圍達(dá)106倍,100萬倍)。
從人耳的等響曲線可以看出一個違反常識的結(jié)果,即當(dāng)一個復(fù)音(包括許多頻率純音的聲音〉的全部頻率成分的強(qiáng)度都提高或降低同樣數(shù)值時,會使它的音色改變,例如一個樂隊(duì)演奏,假如低頻聲和髙頻聲都在100dB左右錄音,因?yàn)檫@時的等響曲線差不多是水平的,所以低頻聲和高頻聲聽起來有差不多同樣的響。而如果還音時強(qiáng)度級較低,例如為50dB,這時50HZ的聲音才剛剛能聽到,而1000HZ的聲音聽起來卻有50方響,其他不同頻率的聲音都有不同的響度級,因此聽起來就感到低頻聲和高頻聲都損失了,也就是原來的音色巳經(jīng)改變了,所以在還音時為了不改變原始音色,就要按照圖所示的等響曲線對不同頻率聲音作不同程度的補(bǔ)償。
計(jì)權(quán)聲級及-A計(jì)權(quán)聲級dB(A)
說了等響曲線再說計(jì)權(quán)聲級就比較容易了;為了使聲音的客觀量度和人耳的聽覺主觀感覺近似取得一致,通常對不同頻率聲音的聲壓級經(jīng)某一特定的加權(quán)修正后,再疊加計(jì)算可得出噪聲總的聲壓級,即為計(jì)權(quán)聲級。為了使聲音的客觀量度和人耳的聽覺主觀感覺近似一致,一般在聲測量中采用計(jì)權(quán)聲級。
A計(jì)權(quán)聲級:以40方等響曲線的倒置曲線為權(quán)重,從倍頻帶聲壓級合成的聲級,表征人耳對低聲級的響應(yīng)。經(jīng)過多年來的實(shí)踐和研究表明,用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得的聲級與由寬頻率范圍噪聲弓|起的煩惱和對聽力危害程度的相關(guān)性較好,而且用單一聲級測量又比較方便,因此近年來測量一般寬頻率噪聲多用A計(jì)權(quán)聲級。自從人們在40phon等響曲線的基礎(chǔ)上提出了A計(jì)權(quán)修正曲線,并將由此確定的聲級定義為A計(jì)權(quán)聲級(用dB(A)表示),A計(jì)權(quán)聲級被廣泛應(yīng)用于噪聲的量度和評價(jià)中。雖然歷史上還曾經(jīng)出現(xiàn)過B計(jì)權(quán)和D計(jì)權(quán),但在IEC61672:2013中只定義了現(xiàn)在常用的三種計(jì)權(quán)A、C、Z計(jì)權(quán)。C計(jì)權(quán)以100phon的等響曲線為基礎(chǔ),反應(yīng)的是在較高聲級時人耳對低頻噪聲敏感性的提升。Z計(jì)權(quán)是Zero計(jì)權(quán)的簡寫,實(shí)際上是平直的不經(jīng)過任何計(jì)權(quán)的意思。
A、C和Z計(jì)權(quán)的修正量曲線
A計(jì)權(quán)聲級是模擬人耳對55dB以下低強(qiáng)度噪聲的頻率特性。
B計(jì)權(quán)聲級是模擬55~85dB的中等強(qiáng)度噪聲的頻率特性,幾乎不怎么用。
C計(jì)權(quán)聲級是模擬高強(qiáng)度噪聲的頻率特性。
D計(jì)權(quán)聲級是對噪聲參量的模擬,專用于飛機(jī)噪聲的測量,此標(biāo)準(zhǔn)已于2005年作廢。

國際電工委員會IEC61672-2-2003對A、C、Z頻率計(jì)權(quán)的范圍定義(部分頻率)頻率單位:Hz計(jì)權(quán)單位:dB(A)、dB(C)、dB(Z)

A計(jì)權(quán)的1/3倍頻程修正值數(shù)值表
8音倍頻程轉(zhuǎn)換為A計(jì)權(quán)修正值可以通過以下的公式進(jìn)行計(jì)算:
關(guān)于計(jì)權(quán)選擇:
1、在環(huán)境噪聲聲級測量中選擇A計(jì)權(quán),目的是反映人對噪聲的主觀感覺,用于噪聲評價(jià)(NR:Noise Rating)的主要指標(biāo);
2、在有效聲(音樂、測試信號等)聲級測量中選擇C計(jì)權(quán)或不計(jì)權(quán)(Z/None/Flat),目的是用于了解可聽聲范圍內(nèi)的總聲壓級;
3、音響產(chǎn)品在研發(fā)過程中測試的幅頻響應(yīng)曲線選擇不計(jì)權(quán)(Z/None/Flat),目的是如實(shí)反映產(chǎn)品的原始特性;
4、音響系統(tǒng)在多數(shù)擴(kuò)聲應(yīng)用現(xiàn)場優(yōu)化中測試的幅頻響曲線選擇C計(jì)權(quán),目的是趨近實(shí)際應(yīng)用的主觀聽感需求。
NC、NR、RC曲線
雖然A計(jì)權(quán)聲級至今仍被廣泛使用,但A計(jì)權(quán)聲級的也有局限性。從等響曲線的變化中也可以看出,A計(jì)權(quán)曲線是根據(jù)1933年Fletcher和Munson的等響曲線制定,與現(xiàn)行的等響曲線有較大的差異。另外眾多研究表明A計(jì)權(quán)聲級在評價(jià)低頻噪聲成分時與人的主觀感覺有較大偏差。
從A計(jì)權(quán)和C計(jì)權(quán)的計(jì)權(quán)曲線的對比中可以看出,當(dāng)噪聲低頻成分比較豐富時,則C計(jì)權(quán)聲級LC的值要大于A計(jì)權(quán)聲級LA的值;而當(dāng)噪聲的頻譜成分以中高頻為主時,C計(jì)權(quán)聲級LC的值與A計(jì)權(quán)聲級LA的值就很接近。因此,C計(jì)權(quán)聲級LC和A計(jì)權(quán)聲級LA之差(即LC-LA)也往往被用來判斷噪聲的頻譜特征。有部分學(xué)者將兩者差值LC-LA>15dB作為將噪聲定義為低頻噪聲的判斷準(zhǔn)則,并認(rèn)為LC-LA>15dB時用A計(jì)權(quán)聲級評價(jià)噪聲是不合適的。由此各國的學(xué)者提出了各種修正,但沒有一個能獲得A計(jì)權(quán)聲級同樣的認(rèn)可。
既于是一些國家的噪聲法規(guī)中提出了對低頻噪聲的頻譜限值要求,作為對A計(jì)權(quán)聲級的補(bǔ)充。我國的GB22337-2008等標(biāo)準(zhǔn)中也對低頻噪聲提出了特別限定要求。

歐洲一些國家提出的低頻噪聲限值

對室內(nèi)噪聲更加細(xì)致的控制一般用NR或NC曲線,在歐美對產(chǎn)品的噪聲要求及室內(nèi)噪聲要求中被廣泛使用。NR曲線的英文叫Noise Rating Curve(噪聲評價(jià)曲線),是ISO根據(jù)Kosten和vanOS的研究提出的噪聲評價(jià)曲線。

NR評價(jià)曲線

NR評價(jià)表
NR曲線評價(jià)的方法就是將所測得的噪聲頻譜與NR曲線的標(biāo)準(zhǔn)頻譜對比,取與其相切的最大曲線值,并向上緣整定到整數(shù)值,即為所得噪聲頻譜的NR數(shù)。如測得下表的噪聲倍頻程頻譜值,將這些頻譜值畫在NR曲線圖中,由此可以確定該噪聲與NR曲線最大相切點(diǎn)是2kHz處,對應(yīng)圓整后的整數(shù)曲線值為58dB,所以我們說該噪聲滿足NR58的要求。

某噪聲的倍頻程頻譜
圖線法進(jìn)行NR曲線評價(jià)
8音倍頻程轉(zhuǎn)換為NR值可以通過以下的公式進(jìn)行計(jì)算:
由于NR曲線是由歐洲人提出的,因此NR曲線在歐洲被廣泛使用。而在美國主要采用Beranek提出的NC曲線。NC曲線的英文全稱叫Noise Criterion Curve(噪聲評價(jià)數(shù)曲線)。NC曲線與NR曲線的特點(diǎn)相似,相對來說NR低頻部分要求更嚴(yán)格一些。NC曲線與A聲級和NR曲線有以下近似關(guān)系:
對比NR和NC曲線可以發(fā)現(xiàn),NR曲線的低頻到31.5Hz,而NC曲線低頻端僅到63Hz。著名聲學(xué)家Bies和Hansen是這樣評述NC曲線的:“NC曲線是應(yīng)人居空間內(nèi)的噪聲可接受程度評價(jià)而提出的。但由于缺乏在31.5Hz處的定義,它并不能考慮低頻的轟轟聲(rumble noise);而他在2000Hz以及高頻又過于寬松,使其在評價(jià)空調(diào)噪聲時,他與主觀反應(yīng)的相關(guān)性不是太好?!?/span>
采用相切的方法確定噪聲等級的數(shù)值,其數(shù)值等于噪聲頻譜曲線與NC曲線相切的曲線中最高的一條的數(shù)值,并不要求噪聲曲線與評價(jià)曲線形狀相似。因此,NC評價(jià)曲線也無法用來評價(jià)噪聲質(zhì)量。但在不產(chǎn)生大量低頻噪聲的空調(diào)末端系統(tǒng)中,如果對噪聲質(zhì)量要求不是很高,NC曲線還是能夠較反映人對空調(diào)背景噪聲的滿意程度。

NC評價(jià)曲線
NC曲線的評價(jià)方法與NR曲線是類似的。將上邊表中的數(shù)值畫在NC曲線圖中,可以確定該噪聲符合NC57的要求。

圖線法進(jìn)行NC曲線評價(jià)
為了彌補(bǔ)NC曲線在31.5Hz定義的缺失,Beranek在1989年又提出了平衡NC曲線,稱為NCB曲線(Balanced NC Curve)。在NCB曲線中,Beranek不僅把31.5Hz加了進(jìn)去,而且索性進(jìn)一步擴(kuò)展到16Hz。NCB除了納入了ANSI標(biāo)準(zhǔn)中外,并未得到廣泛使用;NCB曲線和NC曲線除了頻率范圍以外差異不大。Beranek也提出了與NR曲線頻段一致的PNC曲線(Preferred NC Curve)。不過被廣泛使用的噪聲評價(jià)曲線仍然是NR和NC曲線,其它曲線只是匆匆過客,直到出現(xiàn)RC曲線。
RC曲線由Blazier發(fā)表于1981年,是一套應(yīng)用于辦公樓、住宅等建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的噪聲評價(jià)方法,在這些場所中,合理的中頻聲壓級(1000Hz對應(yīng)的聲壓級)位于25dB至50dB之間,并且空調(diào)系統(tǒng)是它們最主要的噪聲源。1987年,RC曲線被ASHRAE(美國采暖、通風(fēng)與空調(diào)工程師學(xué)會)采用,作為診斷低頻噪聲問題的首選標(biāo)準(zhǔn)。1997年,Blazier對RC曲線進(jìn)行修改,使RC曲線不僅能夠用于評價(jià)噪聲等級,還能夠用來診斷噪聲音質(zhì),修改完善后的RC曲線被定義為RCMarkII,已被ASHARE采用(ASHRAE,2003)沿用至今。RC曲線由一組斜率為一SdB/倍頻程的平行曲線組成。RC評價(jià)方法包括兩個方面,一是RC等級,由頻率為500Hz,1000Hz,2000Hz的噪聲的平均聲壓級確定;二是對噪聲頻譜質(zhì)量的一個描述參量,評價(jià)依據(jù)包括低頻、中頻、高頻是否平衡,是否有主導(dǎo)的特定頻率的噪聲。ASHRAE推薦RC曲線評價(jià)方法為最佳評價(jià)曲線。
等效連續(xù)A聲級

A聲級能夠很好的反映了人耳對噪聲強(qiáng)度和頻率的主觀感受,因此對于一個連續(xù)穩(wěn)態(tài)的噪聲,它是很好的評價(jià)方法。但是對于一個起伏變化或者不連續(xù)的噪聲,A聲級就無法很好的進(jìn)行評價(jià),比如交通噪聲或者間歇運(yùn)行的機(jī)器。對于幅度隨時間變化很大的噪聲,可以用統(tǒng)計(jì)分布來描述。對于大部分噪聲,其幅度隨時間的變化分布近似于高斯分布,這種噪聲的大小可以用等效噪聲級Leq表述,它是在時間T過程中噪聲聲壓級的能量平均:一個用噪聲能量按時間平均方法來評價(jià)噪聲對人影響的問題,即等效連續(xù)聲級,符號“Leq”或“LAeq,T”。

在實(shí)際測量中,采樣都是離散的,表達(dá)式可改寫為:
倍頻程
建筑聲學(xué)測量中,為了解聲源特性,需了解噪聲在整個頻譜內(nèi)分布,即聲音的頻譜。頻帶的劃分通常是以各頻帶的頻程數(shù)n相等來劃分。頻程數(shù)n可用公式表示如下:f2為頻帶上界頻率,f1為頻帶下界頻率。n為幾就是幾個倍頻程,可以是整數(shù)也可以是分?jǐn)?shù)。公式所表示的意義是,若某個頻帶的寬度·為n個倍頻程,則2f與1f相差n個倍頻程。各個頻帶一般用其中心頻率fc來表示,其中fc=√f1f2。當(dāng)n=1時,稱為倍頻帶,n=3時,成為1/3倍頻帶,國際化組織ISO和我國國家標(biāo)準(zhǔn)對倍頻帶劃分的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為:中心頻率為31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000及16000Hz。將頻譜分為若干個頻段,每個頻段為一個頻程。
N=1:一倍頻程,簡稱倍頻程
N=3:三分之一倍頻程
N=12:十二分之一倍頻程
中心頻率:
帶寬:
倍頻程最常用的中心頻率值(fm),以及上、下截止頻率:
語言干擾級(SIL)
噪聲強(qiáng)度表示的一種方法。這種方法是美國L.L.Beranek在40年代末提出的。所謂語言干擾級(SIL)就是在有噪聲存在的情況下,其對語言有影響的三個頻帶(500Hz,1000Hz,2000Hz)聲壓級的算術(shù)平均值。語言干擾級是評價(jià)背景噪聲對語言交流的干擾或掩蓋的一種方法,是語言清晰度計(jì)算的簡化,它是600~4800Hz頻率范圍內(nèi)3個倍頻帶聲壓級的算術(shù)平均。如果300~600Hz倍頻帶級比600~1200Hz倍頻帶級高12dB,則應(yīng)該取4個倍頻帶聲壓級的算術(shù)平均。
PSIL:中心頻率為500Hz、1kHz和2kHz之間三個倍頻帶聲壓級的算術(shù)平均值。
SIL3:中心頻率為1kHz、2kHz和4kHz之間三個倍頻帶聲壓級的算術(shù)平均值。
SIL4:中心頻率為500Hz、1kHz、2kHz和4kHz之間四個倍頻帶聲壓級的算術(shù)平均值。
其中ISO建議,以優(yōu)先頻率500、1000、2000Hz為中心的三個倍頻帶的噪聲聲壓級的算術(shù)平均作為語言干擾級,稱為優(yōu)先語言干擾級(PSIL)。利用單值評價(jià)量語言干擾級可預(yù)測多種噪聲對語言清晰度的影響,所得結(jié)果與語言清晰度指數(shù)的計(jì)算結(jié)果相近。
人的聲音特征
語聲主要由聲帶振動產(chǎn)生,男子的聲帶長而厚,故發(fā)聲頻率較低,其基音約為150Hz;女聲基音比男音高,約為230Hz。漢語普通話的標(biāo)準(zhǔn)平均頻譜見圖,其他漢語方言的頻譜與此差別不大。語聲的頻譜形狀隨著嗓音的大小而有較大變化。
由于語言聲頻率范圍并不很寬,因此,用于語言擴(kuò)聲的設(shè)備只要在300-4000Hz的頻率范圍內(nèi)具有平直的頻率響應(yīng)特性即可滿足要求。如果兼顧播放音樂節(jié)目的霈要,可采用具有100-4000Hz的平直的頻響特性的擴(kuò)聲設(shè)備。
人講話時連續(xù)發(fā)出聲級不斷變化的聲音,因此,語言聲壓級通常以長時間平均值表示。一般而言,人用正常嗓音講話時,在講者正前方1m處聲壓級大約為50-65dBA,從最輕的細(xì)語至最大的嗓音,其聲壓級約從40dBA變化至88dBA。實(shí)用中可取正常的嗓音66dBA;提高的嗓音72dBA;很響的嗓音78dBA;喊叫時的嗓音84dBA。根據(jù)一些實(shí)測結(jié)果表明,在大于60S的較長時間內(nèi)講話時測得的平均聲功率輸出(包括音節(jié)和語句的自然停頓),男子為34uW(共5人,10~91uW),女子為:18uW(共6人8~55uW);如取1/8S短時間統(tǒng)計(jì),其平均聲功率則要高得多,男子超過230uW,女子超過150uW。
語言交流的噪聲限定值
人們正常語言交流聲壓級一般為50一65dB(A),一般變化范圍可從40dB(A)(耳語)到88dB(A)(最大嗓音),距離人1m處的平均語言聲壓級為57dB(A)。
當(dāng)環(huán)境噪聲增大時人們就需要通過提高音量或者縮短談話距離來獲得滿意的交流效果。但當(dāng)環(huán)境噪聲大于70dB(A)時提高音量或者縮短談話距離都難以維持長時間的語言交流。因此在工作場合(交談距離一般為1.0m)要維持長時間語言交流環(huán)境噪聲應(yīng)不得超過70dB(A);但在社交場合人們交談的距離一般為1.2m較工作場合更遠(yuǎn)要求環(huán)境噪聲不得超65dB(A)。

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