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1.概述

机电产品的噪声是其综合性技术指标之一。随着经济和生产力水平的发展，世界各国队机电产品噪声也提出了愈加严格的标准。在这种形势下，提高产品的噪声技术指标，以满足产品的规定的环保限值，因此开展减振降噪的工作越来越迫切。为降低整机的噪声水平，特别是主要发声机构——例如齿轮箱——的噪声水平，首先要区分和识别噪声源；即测出主要发声机构的噪声级，分析其贡献，从而找到主噪声源。为后续的噪声控制或治理措施提供强有力的数据支持。

噪声测量的重点是设备声功率级的测量，它是描述噪声源辐射强度的一个基本物理量。目前声功率测量的方法主要有声压法和声强法两种^[3][5][6]，由于实际噪声源和噪声环境的复杂性和多样性，如果选择的测量方法不合适，将对测量结果影响很大。

用声压法测量声功率，先要测量出测量表面各测点上的声压级，在加入环境修正量后，再计算出声源的声功率。该方法首先对环境要求高，一般要求在消声室内测量，对于本次测量的大型齿轮箱结构；在混响室内安装和运转不现实，因此只能在现场进行测量。其次对测量距离要求严格。这些要求限制了声压法声功率测量的应用。与声压测量法相比，采用声强法测量声功率，可有效克服声压法的上述缺陷，可以在有稳定背景噪声的现场及机器的近场内进行测试；对测量环境、测量距离要求低，测量方便。因此本次试验选择声强法进行声功率测量。

2.声强法声功率测量原理及误差分析^[4]

声强定义为单位时间内通过与指定方向垂直的单位面积声能量的平均值，数值上等于单位面积的声功率；单位为W/m²，即

     

I表示时间T内的辐射声功率，P(t)表示瞬时声压，u(t)质点振速；

对测量方向r上的声强分量，则有：

        

在实际工程测量中，声强测量采用双传声器方法。典型的方法是用面对面式双传声器探头，即P-P法。两探头间距d，可用两只传声器声压信号P₁（t）和P₂（t）的均值来代替它们中间点的声压，取一阶有限差分来近似表示声压梯度，利用声压梯度变换来近似质点振动速度。那么在r方向上的声强可以表示为：        

而声功率是声源在单位时间内辐射的总能。在国标中提供的声强法测量声功率，有扫描法和离散点法两种测量方法。扫描法是连续平均的数学近似，因此理论上其精度较高，但是该方法要求声强探头匀速扫描，且均匀覆盖每个被测表面，现场测试难度较大。而离散点法重复性较好，精度亦可满足工程需求。可根据现场条件选择。

影响双传声器法测量精度^[7]的主要是有限差分误差、相位失陪误差和近场效应误差3种测量误差。在试验中应尽可能减小这些误差的影响。

l  有限差分误差是因为双传声器法本身的近似计算造成的，是固有的系统误差。该误差主要与传感器间距d有关，d越小，有限差分的近似性能越好。当d一定时，声压梯度越小则有限差分误差的近似性越好，而声压梯度的大小取决于声波的波长，波长越小即频率越高时，声压梯度越大 ，有限差分误差的近似性越差。所以，该误差对高频噪声信号影响较大，测量高频噪声时应采用较小的间距。

l  相位失配误差，双传声器声强测量系统中，两路信号通道不可能完全一样，所以两个通道本身有相位失配。这种相位失配误差对低频噪声的测量精度影响较大。所以，该误差主要影响低频噪声信号，为了减小低频误差，传声器间距d也不能太小。

l  测量因为临近声源辐射表面的声场十分复杂，处在其中的两个传声器之间的声强是变化的，所以产生误差。当测点距声辐射表面的距离r接近或小于d时误差会很大，而当2d≤r时近场效应误差基本可以忽略。

3.声强测试系统及测试方案

依据^[1][2]《GB 6404-1986 齿轮装置噪声声功率级测定方法》、《GB/T 16404.1-1999 声学 声强法测定噪声源的声功率 第1部分 离散点测量》和《GB/T 16404.2-1999 声学 声强法测定噪声源的声功率 第2部分 扫描测量》，本次试验主要采用北京东方振动与噪声技术研究所研制的DASP智能信号采集处理分析系统，并辅以其它仪器：

1)  INV3018C多通道高精度数据采集仪：能完成大容量数据示波、采集、存储，并支持电压DC、AC和ICP输入方式；

2)  DASP-V10测试分析软件：能进行实时监测，高效准确的完成时域、频域自谱分析、AVD在线测量分析、振动烈度分析、声学倍频程分析、声强法声功率测试分析及其它多种功能的分析；

3)  INV9212声强传感器1套，另附声校准器；

测试仪器系统框图如下：

图1  声强测试系统

扫描法声强测量是以包围被测对象的垂直测量表面的声强为测量对象。此时垂直于测量面的声强之面积分是用声强探头在每个面元上沿覆盖面元到一定程度的一条连续路径扫描来近似。声强探头测量的是每次扫描期间的平均法向声强分量，扫描可用手动或机械系统来操作，在本次测量中，采用手动扫描方式进行测量。针对本次测试的试验对象—齿轮箱，具体参见图2—选择封闭的虚拟平行六面体表面为测量面，测量其中五个面，地面作为反射面不测量。保证封闭平行六面体能够包围齿轮箱，且此表面内没有其它声源或吸声体。测量表面与齿轮箱表面间的平均距离应当大于0.5m。扫描法测量表面以及扫描路径分布按照规范要求执行。

        图2 齿轮箱试验台架示意图                   

        图3 测量子面划分示意图

封闭待测齿轮箱的虚拟长方体几何尺寸为8×3.8×2.9m³，实际测量时，由于测量面较大，给测量带来很大不便，因此在每个测量面内又划分出若干个子面。在每个子面内进行扫描声强的测量。在现场工况条件下，将扫描声强法测量规定的标准的5个测量面拆分成16个小测量面，如上图3中所示：浅绿色区域的①号测量面拆分成1、2、3三个子面；鲜绿色区域的②号测量面拆分成7和13两个子面；天蓝色区域的③号测量面拆分成4、5、6三个子面；蓝色区域的④号测量面拆分成8和12两个子面；浅黄色区域的⑤号测量面拆分成9、10、11、12、13、14、15、16六个子面。该方法将标准测量面再次划分，每次手动扫描时只扫描一个测量子面，扫描路径和扫描速度相对容易控制，降低测量误差。同时，由于结构较大，适当降低扫描速率^[9]，也可以提高测量精度。可以说，该方法综合了离散点法和扫描法的优点。

而对于声强探头两个传声器的间距选择，充分考虑间距对有限差分误差、相位失配误差和近场效应误差的影响。在预试验中，通过频谱分析^[8]，确定齿轮箱辐射噪声的频段，主要集中在中频段，因此选择25mm隔离柱，计算声功率上限频率为2.5KHz；兼顾低频段和高频段。同时，使用DASP声学测试系统提供的声强测试系统相位校正曲线，减小相位失配误差对测量结果的影响。

4.测试结果分析

试验时，先启动设备，稳定运转一定时间后开始测量，依据事先设定好的测量子面顺序进行扫描声强测试，并实时观察信号；最后在计算机中通过软件分析出齿轮箱辐射的总声功率级。具体如下图所示：

图4  总声功率

在图4中，中心频率100Hz以下的频段内，1/3倍频程谱颜色较深，表示与辐射正方向相反；这说明在这个低频段内反射声较强，DASP软件提供的声强法声功率测量结果有效性判别表的数据也表明，在低频段声强指向性不强。而现场条件下，有一个与③号测量面平行的反射特性较强的墙体，还有一个大功率冷却风扇；这些因素导致③号测量面所在4、5、6测量子面的反向辐射声较强，影响了齿轮箱辐射噪声的测量。但由于本次测量选择25mm隔离柱，声强探头的测量下限较高，所以该频段声功率级对总值影响较小。

5.结论

通过上述测量分析可以看出，用声强法测量声功率具有对测量环境、测试距离要求低、测量简单、准确可靠等优点。适合各种机械设备的现场声功率测量，应大力推广。

参 考 文 献

[1] 声强法测定噪声源的声功率级 第1部分 离散点上的测量，中华人民共和国国家标准， GB/T 16404.1-1996

[2] 声强法测定噪声源的声功率级 第2部分 扫描测量，中华人民共和国国家标准，GB/T 16404.2-1999

[3] 单永乐 门金龙 宋爱华，两种声源声功率测量方法的比较分析[J]，中国辐射卫生，2006，15（1）：91-92

[4] 邵宗安，现代声学噪声测量技术[M]，西安交通大学出版社，1994：62-95

  [5] 陶泽光 李润方 林腾蛟，用声强法测量齿轮箱的声功率[J]，昆明理工大学学报,2000,25（1）:152-154

[6] 林福忠 王荣杰，基于声强法的通风机噪声测量研究及应用[J]，宁波工程学院学报,2007，19(4):31-34

[7] 要志斌 樊文欣 阎文兵，声强法在柴油机噪声测量中的工程应用[J]，车用发动机，2007，4（2）：69-72

  [8] 应怀樵，波形和频谱分析与随机数据处理，中国铁道出版社，1985

  [9] 周广林 陈心昭，扫描速度对扫描声强法测量声功率精度的影响，仪器仪表学报， 2006.12：1614-1618