噪声声强测量分析和应用

摘要：系统阐述了声强法测量再生的原理、方法和关键程序。以变流器的噪声测试为例，重点说明包络面的划分、声强探头的设置和测试结果分析。

引言

传统的声压法测量噪声，需要消声室等特殊、昂贵的声学环境，而且很多测试品因结构、重量、尺寸及运转、安装条件的限制，不能在消声室内去测量。对于声源定位、声源排队等工作，使用声压法有很大的困难。相比之下，声强测量技术因其矢量性而具有诸多优点：它可以在普通环境下或生产现场准确的测定被试品的声功率；可以很方便的进行声源排队、定位等方面的测试研究工作等。因此，声强测量已成为近年来用于噪声鉴别和声功率评定的有效手段之一。

1 声强测量基本原理

声强是指在单位时间内通过垂直声波传播方向上的单位面积的声能，是描述声能流动的具体大小和方向的声学量。可以简单地认为：某点的声强=该点的声压×质点的速度，在声场中，A点的声强定义为：Ir=PAUr (1))式中Ir--A点在r方向上的声强，PA--A点的声压，Ur--A点在r方向上的空气质点振动速度。

常用声强测量法是双传声器法。双传声器法的基本原理如下：设声场中A点附近在r方向上有相距为∆r的两点A1、A2，此两点的声压设为PA、PB; 对无粘性的理论介质，A点的欧拉方程为：(2)式中ρ--空气密度，用A1、A2两点声压的的差分，近似式（1）中A点的声压梯度，得到 Ur=-(3)两传声器之间中点A的声压可用A1、A2两点声压的平均值来近似：P=(4)将式(3)和式（4）代入式（！）中进行矢量相乘就得到A点的声强。

2 声强测量方法

声强测量方法有离散点法和扫描法。离散点法是将测量面均匀划分为若干单元，然后逐个测量每个单元中心点的声强，计算该单元的声功率，最后将所有单元的声功率进行平均，计算该单元的声功率。扫描法是将声强探头在适当长的时间内，在正交两个方向上（水平和垂直），以规定路线（S）型，在测量面元上进行匀速往复扫描。扫描持续时间对声强作时间平均，这样便可得到该测量面的平均声强。扫描法的关键点在于；准确的扫描路线和扫描线密度，探头轴线保持与测量面垂直，探头均匀移动，国标规定单个面元任何一次扫描的持续时间应不小于20s，手动扫描速度在0.1～0.5m/s,机械扫描速度应在0～1m/s。

3 声强测量关键程序

3.1 声源包络面的划分

包络面一般以声源的几何形状、材料类型、连接点和内部结构为划分原则。理论上可以选择任何包络被测声源的表面作为测量包络面，然后对包络面进行合理的划分，可以均匀地将包络面划分为若干面元，也可以根据实际形状和声源指向性，非均匀地划分为若干面元，但要保证每个测量面至少分为4个面元。测量面距声源的距离可根据经验和空间大小来选择，如有温度梯度，至少距离20mm，如有气流，流速应低于4m/s，如测量面形如一展开的板或壳形振动面，距离至少200mm。

3.2 误差分析和现场检验

声强测量误差有很多（比如：近场误差、相位不匹配误差、气流干扰误差、声强探头及操作人员对声场干扰误差、背景噪声误差等），但主要误差还是背景噪声引起的误差，而背景噪声产生的测量误差主要是由于：双传声器声强测量系统制造上的误差，会产生一定的相位失配，并随着背景噪声的增加而增加。在实际操作中，常采用交换两个通道分别进行测量，而后对两次测量结果进行平均来消除背景噪声引起的误差。

声强分析系统在每次测量前应检验仪器设备工作是否正常，这就需要现场检验。声强级检验：是将声强探头放在测量面上声强较高的地方，测量规定的所有频带的法向声强级I+,保持声学中心不变，将声强探头旋转180°，即探头倒向，再测得I-，要求所有频带范围内∣I++I-∣<1.5dB。

3.3 隔离柱长度选择

使用双传声器声强法测量时，两只声强传声器之间相互间隔一定距离（称为声学距离Δr），其间距是用一段和传声器直径相同的圆柱体隔离柱来保证的。隔离柱使被测的声音只能通过传声器保护罩周边的窄槽对膜片起作用，这样就使得两传声器声学中心的距离得到精确的保证。这个声学距离Δr是影响测量精度的重要参数。Δr过大会增大有限差分，过小会增大相位失配误差，只有当Δr远远小于测点与声源间的距离时，声强测量中存在的近场误差才可以忽略不计。隔离柱的长度有多种选择，常用6mm、12mm、25mm、50mm等，分别适合于不同频率的声信号测量，高频声音信号可以使用较短的隔离柱，低频信号使用较长的隔离柱，一般情况下可以使用12mm、25mm的隔离柱，兼顾高低频。

4 变流器的噪声测试

以一机车牵引变流器的噪声测试为例来说明声强测量的应用。首先根据牵引变流器几何形状，其包络面应为长方体X*Y*Z，测量面距离声源500mm，划分为上、左、右、前、后共5个方位，再根据变流器的内部结构，将left、right方位各细分成3个测量面，top方位细分成5个测量面，这样就形成了12个测量面（back面不予考虑），将各测量面均匀的分割成若干面元，X向10等份，Y向4等份，Z向4等份，这样就形成了128个面元，分布图如下：

根据牵引变流器噪声频率的分布，依照∆r不能超过一个最短波长的1/5的规则，我们选取间距为12mm的隔离柱，并选取直径Ф12.7mm1/2"的一组传声器组成声强探头，其有效频率范围为50Hz-6.3kHz。变流器在风扇高/低速运转、冷却系统泵启动、辅助变流器运行的情况下的1/3倍频程频谱（图三）：

从测量得到的频谱分布图上（上图为风机高速旋转，下图为风机低速旋转），我们可以看到两图都有亮区和暗区，但在亮区和暗区分布上有明显的区别，其中右上图中最亮处是变流器的冷却风机区域，上面是进风口，下面是出风口，噪声从这里直接向外辐射，造成此处的声功值高，是主要噪声源；电机风扇噪声功率辐射值最高，在630Hz时处出现明显峰值；辅助变流器的电抗器的噪声在2kHz形成高点，而风机噪声成次要噪声源。在这两个图中我们能准确地看出变流器各个组件的噪声状况。从而为寻找噪声源以降低噪声提供非常好的一个依据。

5结束语

通过声强的分析，不仅能够获得噪声辐射场的分布，识别出复杂噪声源中的主要噪声源，还可以通过声强分析中得到的声功谱，进一步分析主要噪声源。