聲學(xué)測量法
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嘉峪檢測網(wǎng) 2017-12-22 09:38
噪聲測量的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是估計(jì)和尋找產(chǎn)生噪聲的聲源。確定噪聲源位置是實(shí)施控制噪聲措施的先決條件。從聲源上控制噪聲可以大大減輕噪聲治理的工作量，而且對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)低噪聲產(chǎn)品研制，提高產(chǎn)品質(zhì)量和壽命有直接效果，同時(shí)噪聲源識(shí)別技術(shù)是聲學(xué)測量技術(shù)的綜合運(yùn)用，具有很強(qiáng)的技術(shù)性。因此，噪聲源識(shí)別有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
噪聲源識(shí)別的本質(zhì)在于正確地判斷作為主要噪聲源的具體發(fā)聲零部件，主要輻射部分。有時(shí)還要求對(duì)噪聲源的特點(diǎn)及其變化規(guī)律有所了解。噪聲源識(shí)別的要求有以下兩個(gè)主要方面：
確定噪聲源的特性，包括聲源類別，頻率特性，變化規(guī)律和傳播通道等。在復(fù)雜的機(jī)械中，用一種測量方法要明確區(qū)分聲源的主次及其特性實(shí)際上往往是比較困難的。因此經(jīng)常需要綜合應(yīng)用多種測量方法和信號(hào)處理技術(shù)，以便最終達(dá)到明確識(shí)別的目的。
確定噪聲產(chǎn)生的部位、主要的發(fā)聲部件等以及各噪聲源在總聲級(jí)中的比重。對(duì)多聲源噪聲，控制噪聲的主要方法之一是找到發(fā)聲部件中占噪聲總聲級(jí)中比重最大的聲源噪聲，采取措施進(jìn)行降噪，可達(dá)到事半功倍的效果。
噪聲源識(shí)別方法很多，從復(fù)雜程度、精度高低以及費(fèi)用大小等方面均有不少的差別，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)研究對(duì)象的具體要求，結(jié)合人力物力的可能條件綜合考慮后予以確定。具體說來，噪聲源識(shí)別方法大體上可分為二類：
第一類是常規(guī)的聲學(xué)測量與分析方法，包括分別運(yùn)行法、分別覆蓋法、近場測量法、表面速度測量法等。
第二類是聲信號(hào)處理方法，它是基于近代信號(hào)分析理論而發(fā)展起來的，象聲強(qiáng)法、表面強(qiáng)度法、譜分析、倒頻譜分析、互相關(guān)與互譜分析、相干分析等都屬于這一類方法。
在不同研究階段可以根據(jù)聲源的復(fù)雜程度與研究工作的要求，選用不同的識(shí)別方法或?qū)追N方法配合使用。
聲學(xué)測量法
人的聽覺系統(tǒng)具有比最復(fù)雜的噪聲測量系統(tǒng)更精確的區(qū)分不同聲音的能力，經(jīng)過長期實(shí)踐鍛煉的人，有可能主觀判斷噪聲聲源的頻率和位置。有經(jīng)驗(yàn)的操作、檢驗(yàn)人員在生產(chǎn)現(xiàn)場就能從機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的噪聲中判斷是否正常，并能判定造成異常的原因。這種主觀評(píng)價(jià)法在生產(chǎn)實(shí)際中往往是很有用的。為了避免其他干擾因素，還可以借助醫(yī)用聽診器等。然而，主觀判斷法并非是人人能達(dá)到判斷效果的，因?yàn)槠鋷в兄饔^因素，同樣的機(jī)器噪聲，不同的人鑒別的結(jié)果往往不一致。此外，主觀評(píng)價(jià)法也無法對(duì)噪聲源作定量的評(píng)價(jià)。因此，人們常常采用聲學(xué)測量和信號(hào)分析等方法。
聲壓法
1. 近場測量法
這種方法簡便易行，通常用于尋找機(jī)器的主要噪聲源。具體做法是用聲級(jí)計(jì)在緊靠機(jī)器的表面掃描，并從聲級(jí)計(jì)的指示值大小來確定噪聲源的部位。
根據(jù)聲學(xué)原理，近場測量法的正確性是有條件的。傳聲器測得的聲級(jí)主要應(yīng)是靠近的某個(gè)噪聲源引起的，而其他噪聲源對(duì)測量值沒有影響或影響很小。但是某一點(diǎn)的聲場總會(huì)受到附近其他聲源的混雜，尤其是在車間現(xiàn)場。所以近場測量法不能提供精確的測量值。因此這種方法通常用于機(jī)器噪聲源的粗略定位。
2. 選擇運(yùn)行法
選擇運(yùn)行法就是設(shè)法將機(jī)器中的運(yùn)轉(zhuǎn)零部件按測量要求逐級(jí)連接或逐級(jí)分離進(jìn)行運(yùn)行，分別測得部分零件的聲級(jí)及其在機(jī)器整體運(yùn)行時(shí)總聲級(jí)中所占的份額，從而確定主要噪聲源的方法。這種方法對(duì)復(fù)雜的機(jī)器，尤其是多級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)器的噪聲源識(shí)別相當(dāng)有用。當(dāng)然這種方法只有當(dāng)機(jī)器的各部分可以分別脫開運(yùn)行的情況下才能使用。
例如，要估計(jì)風(fēng)機(jī)的電機(jī)和風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲，可以斷開風(fēng)扇，只開動(dòng)電機(jī)，測量電機(jī)的噪聲。由電機(jī)的噪聲級(jí)和頻譜與風(fēng)機(jī)總噪聲級(jí)和頻譜，根據(jù)聲級(jí)疊加原理可估計(jì)出風(fēng)扇噪聲的聲級(jí)和頻譜。在測量電機(jī)的噪聲時(shí)，應(yīng)該保持電機(jī)的負(fù)荷不變。風(fēng)機(jī)噪聲與電機(jī)噪聲的差別越大，風(fēng)扇噪聲的估計(jì)準(zhǔn)確度越高。
3. 選擇覆蓋法
對(duì)于不能改變運(yùn)行狀態(tài)的情況，通常采用選擇覆蓋法識(shí)別噪聲源。這種方法用隔聲材料（鉛板）把機(jī)器各部分分別覆蓋起來以測定未覆蓋部分的噪聲以確定噪聲源。覆蓋層（隔聲罩）要專門設(shè)計(jì)以保證覆蓋后的噪聲比覆蓋前小10dB。測某一部位的噪聲時(shí)要將其他部位覆蓋起來，這樣就相當(dāng)于分別測取了各個(gè)獨(dú)立的噪聲源。將各部位測得的噪聲大小進(jìn)行比較即可找出主要噪聲源。
隔聲罩可用1～1.5mrn厚的鉛板罩住機(jī)器的某部分，罩內(nèi)填礦棉或玻璃纖維。這種覆蓋技術(shù)大約可以降低噪聲10～15dBA，故易與未覆蓋的振動(dòng)面區(qū)分開。不過，這種方法適用于識(shí)別中頻和高頻噪聲，因?yàn)楦袈曊值牡皖l隔聲能力很差。也可以根據(jù)噪聲特性來區(qū)分。例如，測量發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲和排氣噪聲時(shí)可以把排氣管引到墻外，并對(duì)縫隙密封。在室內(nèi)可以測得發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲，在墻外可以測量排氣噪聲。
聲強(qiáng)法
在三維流體聲場中，聲強(qiáng)矢量等于有效聲強(qiáng)矢量與聲強(qiáng)偏差的矢量和。聲強(qiáng)偏差表征聲場中局部區(qū)域內(nèi)聲能流，其矢量流線為環(huán)狀。窄頻域中聲強(qiáng)偏差通常是非零有旋矢量，因此，窄頻帶中聲強(qiáng)矢量不一定是沿徑向背離聲源的。各頻率點(diǎn)聲強(qiáng)矢量流線通常是曲線形狀，特別是在近場或反射波較強(qiáng)的區(qū)域，聲強(qiáng)流線的曲率半徑較小，有些頻率點(diǎn)聲強(qiáng)矢量甚至指向聲源，這說明由聲場中幾點(diǎn)處單一頻率聲強(qiáng)矢量不能推斷出聲源所在方位。隨著頻率帶寬的增加，聲強(qiáng)偏差的影響減少。當(dāng)聲強(qiáng)偏差值可以忽略時(shí)，聲強(qiáng)矢量等于有效聲強(qiáng)矢量。聲強(qiáng)矢量流線代表聲場中實(shí)際功率流線，即由聲源出發(fā)到無限遠(yuǎn)區(qū)域或功率吸收點(diǎn)終止。在這種情況下根據(jù)不在一個(gè)平面上的幾點(diǎn)聲強(qiáng)矢量可以判斷聲源所在方位。用于聲源定位的分析頻率帶寬一般不應(yīng)窄于1/3倍頻程帶寬；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最好選用包含幾個(gè)倍頻程帶寬的頻帶為分析頻率帶寬。某點(diǎn)處聲強(qiáng)矢量由該點(diǎn)處3個(gè)正交方向上聲強(qiáng)測量值估算。例如，在笛卡爾坐標(biāo)空間中，若在3個(gè)正交軸向上聲強(qiáng)測量值為Ix、Iy和Iz，則聲強(qiáng)矢量幅值為：
聲強(qiáng)矢量與x、y、z軸向的夾角分別為
通常情況下，用聲強(qiáng)技術(shù)定位聲源是非常耗費(fèi)時(shí)間的，除非聲強(qiáng)儀能同時(shí)測量聲強(qiáng)矢量的三個(gè)正交軸向分量，否則每點(diǎn)處要進(jìn)行三次測量才能確定其聲強(qiáng)矢量。聲源定位精度主要與流體聲場特性有關(guān)，對(duì)于阻性聲場，聲源定位精度通常較高。
應(yīng)用少數(shù)幾點(diǎn)處聲強(qiáng)矢量定位聲源時(shí)，定位精度與測點(diǎn)位置選擇有關(guān)。測點(diǎn)位置最好均勻地分布在聲源周圍，一旦聲源位置初步確定后，與聲源相距較遠(yuǎn)的測點(diǎn)處的聲強(qiáng)矢量應(yīng)當(dāng)拋棄。如果聲場中聲強(qiáng)矢量空間分布已測定，則聲源和功率吸收點(diǎn)的位置就能容易地確定。聲強(qiáng)技術(shù)還能非常有效地用于尋找隔墻或封閉空間的漏聲位置，檢查隔聲室、消聲室和隔聲罩等封閉空間的隔聲質(zhì)量。在隔聲實(shí)驗(yàn)以前，聲強(qiáng)技術(shù)可以用于檢查測試構(gòu)件的密封情況。當(dāng)聲場是幾個(gè)聲源輻射場的迭加時(shí)，聲強(qiáng)技術(shù)可以用于尋找主要輻射聲源；按輻射聲功率大小順序排列聲源。對(duì)于復(fù)雜機(jī)器的聲輻射，可以應(yīng)用掃描式測量方法測量機(jī)器的各部分（表面）聲輻射功率，找出主要聲輻射區(qū)域或部件。
我們知道，在點(diǎn)聲源或其組合聲源輻射近場中，瞬態(tài)聲強(qiáng)無功分量遠(yuǎn)大于其有功分量。但反過來就不一定成立，即當(dāng)某物體表面附近有很強(qiáng)的瞬態(tài)聲強(qiáng)無功分量時(shí)，并不意味著該物體是聲源。例如，在封閉室內(nèi)混響聲場中。此外，近場中瞬態(tài)聲強(qiáng)無功分量的大小不能反映聲源輻射效率的強(qiáng)弱。因此，瞬態(tài)聲強(qiáng)無功分量（復(fù)數(shù)聲強(qiáng)的虛部）只能是聲源定位的一種輔助手段，用于初步分析。
陣列法
傳聲器陣列是由許多傳聲器按一定方式排列組成的陣列，具有強(qiáng)指向性，可用來測定聲源的空間分布，即求出聲源的位置和強(qiáng)度，因而可識(shí)別機(jī)車行進(jìn)時(shí)的噪聲源。將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于聲望遠(yuǎn)鏡，可以實(shí)現(xiàn)聲望遠(yuǎn)鏡的空間自動(dòng)掃描。因此，可以對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的聲源（例如火車、飛機(jī)）進(jìn)行分析，并對(duì)接收的聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而得出不同頻段內(nèi)聲源的空間分布。目前使用最廣泛的方法是把傳聲器排列在直線上，此系統(tǒng)稱為線列陣指向性系統(tǒng)。
線列陣?yán)迷S多拾聲點(diǎn)上接收信號(hào)的干涉效應(yīng)而產(chǎn)生的指向性。但這種等間距、等強(qiáng)度的線列陣的旁瓣比較大，如果各傳聲器的信號(hào)按一定規(guī)則修正，則可以抑制旁瓣。常用傳聲器陣按照契比雪夫級(jí)數(shù)的系數(shù)修正。這樣可使主瓣變寬但旁瓣下降30dB。
傳聲器陣可用模擬電路來完成，但目前一般采用數(shù)字方法處理。將傳聲器輸出信號(hào)采樣，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)更換聚焦點(diǎn)位置，在xy線上掃描，得出xy線上聲源強(qiáng)度的分布，同時(shí)用快速傅里葉變換計(jì)算出各點(diǎn)的頻譜。
用線列陣傳聲器每次只能測定分布在一條線上的聲源，如果要同時(shí)分析幾個(gè)方向的聲源的分布情況，則必須使用幾個(gè)傳聲器陣列或方陣。
傳聲器陣望遠(yuǎn)鏡的另一原理是：首先對(duì)聲望遠(yuǎn)鏡中兩個(gè)傳聲器輸出信號(hào)做互相關(guān)，然后利用時(shí)延做快速傅里葉變換求出頻譜。頻譜與兩個(gè)傳聲器的距離有關(guān),用兩個(gè)傳聲器距離做快速傅里葉變換即可得到從不同方向傳來的不同頻帶聲波的強(qiáng)度關(guān)系。
信號(hào)分析法
時(shí)域分析法
根據(jù)各聲源或聲源各部分時(shí)間特性的差別來識(shí)別，它對(duì)有離散譜的信號(hào)更為合適。如果機(jī)器產(chǎn)生脈沖噪聲，可記錄噪聲的時(shí)間歷程。在雙線性示波器上顯示，另用一路顯示標(biāo)記脈沖，由機(jī)器某運(yùn)動(dòng)部分觸發(fā)以使噪聲和機(jī)械動(dòng)作相聯(lián)系。一旦噪聲信號(hào)與機(jī)械振動(dòng)聯(lián)系起來就可確定噪聲來自振動(dòng)部分。
平均技術(shù)是時(shí)域分析法的發(fā)展。有時(shí)在噪聲和振動(dòng)時(shí)間歷程中，由于背景噪聲太高，難以區(qū)分離散重復(fù)事件。把背景噪聲按機(jī)器工作一周分段，用許多周的信號(hào)求平均，無周期性部分信號(hào)多次平均后增長較慢，而周期信號(hào)增長較快，因此可檢出周期信號(hào)。通常取10～100工作周期信號(hào)平均，以明顯區(qū)別出重復(fù)事件。平均過程利用計(jì)算機(jī)來完成
頻域分析法
如果噪聲源的噪聲在不同頻率區(qū)域，可以采用窄帶頻譜分析法。用加速度計(jì)測量噪聲源的振動(dòng)，用傳聲器測量某點(diǎn)的聲壓，求出它們的頻譜進(jìn)行分析。某噪聲源的振動(dòng)信號(hào)頻譜的主要部分和聲信號(hào)頻譜的主要部分位于相同頻率區(qū)域，或在某些頻率都有峰值，即可認(rèn)為這一噪聲源是主要噪聲源。
如果幾部機(jī)器或一部機(jī)器各部分發(fā)聲的頻譜不同并且已知時(shí)，測量總噪聲譜可以分析出各部分對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)。
相關(guān)分析法
如果同時(shí)存在許多噪聲源，用相關(guān)分析法測量聲源處和觀察點(diǎn)之間聲信號(hào)與某波形或?yàn)V波包絡(luò)的互相關(guān)函數(shù)，就可識(shí)別噪聲源并判斷該噪聲源對(duì)觀察點(diǎn)的總噪聲有多大貢獻(xiàn)。較強(qiáng)的互相關(guān)性所對(duì)應(yīng)的機(jī)器為主要噪聲源。
相干分析法
在聲源識(shí)別中，用時(shí)域的互相關(guān)函數(shù)方法得到的信息，也可用頻率域的相干函數(shù)得到。相干函數(shù)的值越大，說明該聲源對(duì)測量點(diǎn)聲音的影響越大。分別求出各個(gè)聲源與測量點(diǎn)信號(hào)之間的相干函數(shù)，通過比較便可確定主要噪聲源。求相干函數(shù)可用快速傅里葉變換算法。
來源：陳克安
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