虚拟仪器进行声强测量的原理及相位补偿
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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。
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I0(I0= 10-12 W/m2)之比的对数
对于自由场中的行波,声强级和声压级有如下关系:
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
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)
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 到 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。
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
式中 Im(k)为测量得到的两声压信号的互谱的虚部;Im′(k)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;ΔФ(k)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。
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)
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