虚拟仪器进行声强测量的原理及相位补偿

2016-10-10 13:46:42 阅读次数:23855

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摘要:声强是表示声能流大小及传播方向的矢量。声强仪可测量声场某点的声强矢量在某方向的分量。声强测量用于分析复杂设备的噪声源分布,以及在现场作声功率测量。由于虚拟仪器的突出优点,特别是其优异的性能价格比,用虚拟仪器进行声强测量已得到相当的普及。虚拟仪器两个通道(包括传声器)之间的相位差会影响声强测量的精确度,尤其是低频段(中心频率为125 Hz 及以下的多个1/3 倍频程)。本文介绍用虚拟仪器进行声强测量的原理及作相位补偿的方法。 经过补偿后虚拟仪器声强仪的“声压 — 残余声强指数”可满足国家计量检定规程“声强测量仪”[1] 中对1级声强仪的要求。

关键词:声强,相位,虚拟仪器,传声器


1       声强测量原理

声音是空气压力的扰动以波动的形式在空气中传播。我们通常所说的声压,是指气压扰动的大小,只反映声音在某一点的强弱,它是一个标量。声波所乘载的能量(声能)随着声波的传播而流动。人耳听到声音,就是有声能从声源流向人的耳朵。声强的方向就是声能流的方向,声强的大小为单位时间通过垂直于声强方向的单位面积的声能量。

按照声学原理,瞬时声强等于瞬时声压乘以瞬时的空气质点振动速度。

CatchBBE2.jpg


式中ρ0为空气的密度,PA,PB为相距Δr的两点的瞬时声压。

通常所用的声强级是声强与一参考值I0I0= 10-12 W/m2)之比的对数


Catch.jpg


对于自由场中的行波,声强级和声压级有如下关系:

Catch1.jpg                              

式中ρ,c分别为空气密度和声速。当温度为20,大气压为一个标准大气压(101.325 kPa ), 相对湿度为 65 %时

Catch2.jpg

在对声强测量进行校准时,(6),(7)式是一个重要的依据。

在实际的应用中,我们用到的是声强级的频谱。用虚拟仪器测量声场中相邻两点声压信号的互功率谱,按照声学原理,可由下式推算声强级的频谱 I(k)

Catch3.jpg

式中k 为离散谱的频率索引,频率f = k ( f s / N ) N为快速傅里叶变换的点数fs 为采样率 ρ0为空气的密度Δr为声强探头两传声器的声学中心的距离ω为圆频率GAB(k)为两传声器接收的声压的互功率谱I m [ ] 表示取虚部。实际使用中,声强级频谱表示为 1/3 倍频程谱,可以从(8)式的结果合成得到,中心频率从 50 Hz 6300 Hz


2       通道间固有相位差对声强测量值的影响

当一列平面波在空间传播时,其波阵面与传播方向垂直。波阵面上各点声压的大小和相位均相同。在同一波阵面上是没有声能传播的。如果虚拟仪器两个通道(包括传声器)的特性完全相同,当声波的传播方向与声强探头两传声器声学中心连线(轴线)垂直时(两传声器在同一波阵面上),两传声器接收到完全相同的信号,互谱的虚部为零。根据(8)式,声强的各频谱分量均应为零。

由于虚拟仪器两个通道(包括传声器)之间存在一固有的相位差,这一相位差在不同的频率有不同的值。这就使得即使声波的传播方向与声强探头轴线垂直时,两通道的信号不相同,互谱的虚部就不为零。从而出现一个虚假的声强值。这一虚假的声强值称为“残余声强”。这一残余声强的大小还与声压的大小成正比。对于同一个声强测量系统,声压越大时残余声强也越大。 声强探头两个传声器受到相同粉红噪声的作用下,测量得到的声压级与残余声强级之差称为“声压残余声强指数”。该指数用来表征声强仪产生残余声强的严重程度。声压残余声强指数越大,说明该声强仪能更好抑制残余声强的产生,从而性能越好。

声压残余声强指数是表明声强仪优劣等级的一个非常重要的指标。表1 列出了一级与二级声强仪对“声压残余声强指数”的最低要求。同级声强仪的声压残余声强指数必须大于下表给出的值。

表1  声强仪“声压残余声强指数”的最低要求 (隔离柱: 25 mm )

1 / 3 倍频程中心频率( Hz )

一级声强仪

( dB )

二级声强仪

( dB )

1 / 3 倍频程中心频率( Hz )

一级声强仪

( dB )

二级声强仪

( dB )

50

12

6

630

19

16

63

13

7

800

19

16

80

14

8

1000

19

16

100

15

9

1250

19

16

125

16

10

1600

19

16

160

17

11

2000

19

16

200

18

12

2500

19

16

250

19

13

3150

19

16

315

19

14

4000

19

16

400

19

14.5

5000

19

16

500

19

15

6300

19

16



3       固有相位差的补偿方法

3.1声强探头反向法

在测量声场某处某一方向的声强分量时,将声强探头置于该处并使声强探头的轴线与测量方向一致,可测量得一声强谱。然后将声强探头的轴线方向反180度,并将测量得的两个通道的信号互换,即将通道1的信号作为通道2来分析;即将通道2的信号作为通道1来分析。将两次测量得到的声强谱结果作平均。这样就可以消除两个通道间的固有相位差对声强测量的影响。该方法简单,但要作两次测量并平均,实际中较少使用。

3.2 固有相位差修正

通过图1的装置,可测量声强仪两通道(包括传声器)间的相位差。声强探头的两个传声器插入声强校准器的耦合腔中。粉红噪声信号源激励声强校准器的发声装置,在耦合腔中形成一个均匀的声场。两个传声器的膜片感受到相同的声压。通过采集仪和虚拟仪器的分析软件,可得到两通道间相位差随频率的变化曲线如图 2 所示。

 CatchAFF0.jpg

 

CatchFA87.jpg             

 

测量得到的声强仪两通道间的固有相位差保存为一个数据文件,通过(9)式来修正声强测量时得到的互功率谱的虚部。用修正后的互功率谱的虚部代入(8)式计算声强。  对应于某一频率

CatchE4CF.jpg

式中 Im(k)为测量得到的两声压信号的互谱的虚部Imk为修正后的互谱虚部Rε(k)为测量得到的两声压信号的互谱的实部ΔФk为两通道间的固有相位差,以弧度为单位。同样通过图1的装置,测量声压级和声强级。如果不作相位修正(忽视这一相位差的存在),得到的声强级声压级如图3 所示。该图显示这时的声压级声强级之差即声压 — 残余声强指数并不够大。

如果加上相位差的修正,其测量结果如图4 所示,声压级与声强级之差明显增大。声压 残余声强指数可满足表1 所示的一级声强仪的要求

 

image065.png

                    图 3  未作相位校准时测量得到的声压和声强级 (两传声器接收到相同的声压信号)

 

image067.png

                图 4  经相位校准测量得到的声压和声强级 (两传声器接收到相同的声压信号)

 

参考文献

[1]中华人民共和国国家计量检定规程,JJG992-2004,声强测量仪,北京:国家质量监督检验检疫总局,2004