实验1 环境噪声测量及声学振动分析

引言：声学信号及振动信号的准确采集与分析对噪声的检测与控制、结构动力学分析(如实验模态分析)、机械故障诊断(如包络分析、阶次分析、转子动平衡、直升机发动机振动检测)、声品质、声学材料测试、电声测试等方面都起着至关重要的作用。

实验目的：

1. 掌握多通道噪声与振动频谱分析仪采集声振信号的工作原理级测量方法

2. 对采集到的信号进行处理分析，并记录分析后的实验数据和波形。

实验仪器：

安装有PULSE Labshop的电脑，网线，BK数采前端，加速度计，传声器，功率放大器。

加速度计：型号BK4533B CCLD型加速度计用于宽频率范围，低噪声，适合在各种环境条件下使用。

传声器：型号BK4189 通用麦克风，用于高精度，自由场测量。

数据采集器：型号 BK3160 拥有4个输入通道及2个输出通道，完整的独立测试分析系统，用于音频等测试工作。

实验原理：

1、多通道噪声与振动数据采集器

BK3160型多通道噪声与振动频谱分析仪是一种多通道信号测量与分析仪器，它可以任意组合噪声及振动测量通道，实现噪声、加速度、速度、位移等物理量的实时测量，该仪器配置不同的软件可实现不同的功能。本测试仪器配置有2个声通道和4个振动测量通道来实现信号的采集工作，测量系统的简要工作原理图如下：

图1 设备连接示意图

图2 声振测量系统的简要工作原理

2、压电加速度计的结构及工作原理

压电加速度计是利用压电材料作为电转换的测振器件。目前，常用的压电材料有锆钛酸铅（PZT）、石英晶体等。在压电元件上，借助预紧螺母（或弹簧片），以一定的预应力安装一惯性质量块（质量块用高比重合金制成）。这就构成一个简单的压电加速度计。它是典型的惯性式传感器。在振动作用下，底座6和质量块3之间的相对运动，使压电元件受到压缩或拉伸。由于压电效应，压电元件的输出端产生电压

，其值为：

（1）

式中，

为压电元件输出电压，它与压电元件相对位移

成正比。

为一比例常数，它同压电材料的性能、几何尺寸与形状等因素有关。式中负号表示对压电元件的压缩产生正的电压。

我们把压电元件当作无质量的弹簧元件，其弹性系数为

；同时把惯性质量块（质量为m）看作是完全刚硬的；连接件的刚度及质量的影响忽略不计；设此振动系统中的阻尼器的阻尼系数为

。这样，可把振动系统看成是单自由度二阶力学系统。传感器固定在振动物体上，当振动物体以

振动时，假定在某一瞬时振动物体相对位移为

，引起惯性质量块相对壳体（基座）的位移为

，由于壳体与被测振动体固定在一起，质量块相对静基准的位移为

。质量块在运动中受到三个作用力：

弹性元件的弹性反力

，

；

阻尼器阻力为

，与质量块相对壳体的运动速度成正比，即

，

为阻尼系数；

运动部分的质量引起的惯性力

，与质量块的加速度成正比，即

，

为阻尼系数；

这三个力在运动中始终处于平衡状态，即

（2）

或

令

，则

，因而有

（3）

令

是传感器振动系统的固有频率。又令

是临界阻尼系数，即

表示阻尼对振动的衰减，称为振动系统的衰减系数。这样（3）式可写成：

（4）

此式是一个二阶常系数非齐次线性方程，其解为

（5）

式中

（6）

（7）

3、传声器原理

常见传声器分为以下几类：

（1）动圈式传声器

动圈式传声器又叫电动式传声器，它在结构上与电动式扬声器相似，也是由磁铁、音圈以及音膜等组成的。

动圈式传声器的音圈处在磁铁的磁场中，当声波作用在音膜使其产生振动时，音膜便带动音圈相应振动，使音圈切割磁力线而产生感应电压，从而完成声一电转换。由于音圈的阻数很少.它的阻抗很低，阻抗匹配变压器的作用就是用来改变传声器的阻抗，以便与放大器的输入阻抗相匹配。动圈式传声器具有坚固耐用、工作稳定等特点，具有单向指向性，价格低廉，适用于语言、音乐扩音和录音。

（2）电容式传声器

电容式传声器是一种利用电容量变化而引起声电转换作用的传声器，容式传声器灵敏度高，输出功率大，结构简单，音质较好，但要使用电源，并不太方便，因此多用于剧场及要求较高的语言及音乐播送场合。

（3）驻极体传声器

驻极体传声器由声电转换和阻抗转换两部分组成。声电转换部分的关键元件是立创商城驻极体振动膜，它是一个极静的塑料膜片，在它上面蒸发一层纯金薄膜，然后经高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外与金属外壳相连通，膜片的另一面用薄的绝缘垫圈隔开，这样蒸金膜面与金属极板之间就形成了一个电容器。阻抗转换部分由场效应管担任，它的主要作用就是把几十兆欧的阻抗转变为与放大器匹配的阻抗。

驻极体传声器的工作原理是，当声波使驻极体膜片振动时，膜片蒸镀金属膜与金属极板间形成的电容的电场发生相应变化，产生随声波变化的音频电信号，该信号通过场效应管输出。 驻极体传声器具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低廉等优点，广泛应用于盒式收录机、电话机、无线话筒及声控电路中。 本实验采用的BK4189型传声器即为驻极体传声器。

实验仪器示意图：

图3 3160-A-042 图4 四输入二输出端口

图5 4189型传声器示意图 图6 4533型加速度计示意图

实验内容：

1. 环境噪声信号的采集与分析

通过放置传声器在想要测量环境噪声处，通过数据采集器，运用计算机软件控制采集开始及结束时间或预设时长，采集同时由软件自动处理信号模拟出图像，采集结束后可对采集数据进行后续处理。

2. 使用3D视图显示测量数据

运用3D坐标将时间物理量也加入图表有助于直观的观察声信号或振动信号随时间变化情况。也可转换为软件内置其他图表显示形式，例如瀑布图等。

3. 振动信号的测量与分析

通过放置加速度计在被测振动处（常用双面胶黏贴于被测物体表面），通过数据采集器，运用计算机软件控制采集开始及结束时间或预设时长，采集同时由软件自动处理信号模拟出图像，采集结束后可对采集数据进行后续处理。

实验步骤：

1、按图1连接实验装置。通电后连接传感器的端口亮绿灯（输入）/蓝灯（输出）为正常连接，亮红灯为过载，加速度计可用双面胶贴在被测物体表面，先连接后2电源）

2、连接完毕后将计算机ip地址获取方式改为自动获取，将密钥插入电脑

3、设置硬件连接，双击Front-end Setup，在软件界面点击Browse Devices按钮，等软件自动搜索到硬件之后选择搜索到的硬件点击add按钮，成功将硬件添加到列表里，观察State栏目下为ready后，点击Apply Configuration按钮保存设置。（注：下次仍使用相同硬件就不需要重复操作这一步骤）

4、双击Labshop图标，点击create new project创建新测试项目，只需在Harware Setup表格中选上要做的分析，再到Display任务双击要看的函数即可完成。

图7 PLUSE Labshop界面

上图为点击Labshop后，选择Create New Project进入的窗口页面。

表中各行代表不同的通道，如1.1.1代表第一机箱的第一模块的第一个输入。

列依次为 Signal Name 信号名(命名不能带#号)、Tacho表示测转速、Ref表示则该信号作互谱的参考信号、Analyzer 1 该信号作的第一种分析，如 FFT、Analyzer 2 该信号作的第二种分析，如 Overall、Transducer Type 传感器型号(可从下拉菜单选传感器)、Channel Input 输入方式(可据需要选 Direct、CCLD、Preamp 三种)。（注：BK智能传感器类型会自动检测型号不用人工输入）

5、测量稳态声信号，点击左侧任务栏中的Display进入图形显示界面进行数据采集，软件自动显示两个表格Display 1（时域），Display 2（频谱）来显示数据，在function organiser中选择显示类型，点击图1-3中的小手指按钮开始测量，点击

停止测量，右键点击function organiser栏目中autospectrum，弹出列表里选择show as选项里选择modern display，显示现代显示图表（可用鼠标控制横纵坐标，滑轮控制坐标大小等），右键点击图表，点击properties-options-copy to dipboard，打开word，右键粘贴，保存测试图表到word中（双击图表可在word中进行显示设置）。选择桌面重复步骤5测量桌面振动信号。

图8 开始测试界面

图9 测量数据显示界面

图10 实时测量界面

图11 modern display

6、修改FFT参数，右键点击图1-2中的FFT栏，选择properties，进行想要进行的参数设置，退出后重复步骤5进行测量（注：此处使用系统默认参数）

图12 FFT参数修改界面

7、保存测试数据，点击图1-4上方工具栏中的organiser选择显示measurement organizer，在数据测试完毕后点击

即在measurement下保存当前测量数据。

图13 数据保存界面

8、3D显示测量数据，Set up中选择3D，点击3D time下方空格，在空格空白处右键，点击第一项进行参数（开始条件，更新条件，停止条件，SIZE一共进行多少步更新）设置，此处使用系统默认参数。

图14 3D选择界面

图15 3D设置界面

9、在3D设置界面Set up中点击Display，function organiser中选择新增的3D显示选项双击。

图16 3D显示选择界面

图17 3D测试界面

10、测量步骤同步骤5，右键3D图，点击properties-functions，在下方列表第二项点击water fall将图改为瀑布图x轴表示频率，Y轴表示分贝/Pa，Z轴表示采集时间。

图18 设置瀑布图

图19 瀑布图效果

11、测量振动信号，在软件主界面选择安装有加速度计的通道，重复步骤五即可采集振动信号并绘成图像进行分析。

实验注意事项：

1. 开机顺序：接电缆-运行软件-开功放（增益调到最小）

2. 关机顺序：关功放-关闭软件-断电-拆电缆

3. 不要热插拔电缆及密钥

4. 使用完传感器后一一对号放回盒子

5. 接线对准接线口轻接轻放

实验说明：

1. 各通道线应与相应的通道相连，且勿连错。

2. 各个噪声计与加速度计之间应有一定间隔。

3. 实验前应按要求设定相应的实验数据。

4. 实验时要爱惜实验设备，以防实验设备的损坏。

思考题：

1、 多通道同步测量与单通道测量相比较，具有哪些优点？

2、 采用多通道声信号和加速度振动信号同步测量有什么现实意义？

3、 声信号和振动信号采集处理在石油工程的哪些领域能够得到应用？

实验2 交通噪声实时监测实验

实验目的：

1．了解噪声的量度和评价；

2．熟悉用声级计测量噪声声级和频谱的方法。

实验原理与方法：

1．噪声的主观评价

噪声的含义可以有二种理解，一种是对任何一个不希望存在的声信号的统称；另一种是无规、断续的或随机的振动过程，这种噪声有连续谱与线状谱，多数为连续谱。我们测试的噪声信号常是这种无规噪声信号。

噪声对人的影响大小，要由人们的主观感受来衡量。人耳听声，虽说是声压越大，声音越响，但声压与人耳感觉的响度并不是成正比的关系，而是成对数关系，即人耳对声音是对数检测器。人耳感受声音不仅与声压有关，而且还与频率有关。不同频率的声音，虽然声压相同，但人耳听起来往往不是一样的响度。根据人耳的这种听觉特性，引入了响度与响度级、计权声级等主观评价量。

根据国际标准化组织（ISO）的规定，任何声音的响度级在数值上与此声音同样响度的1kHz纯音的声压级相同，响度级的单位是方。例如某一声音（纯音或复合声）斩起来和声压级70dB的1kHz纯音一样响时，则该声音的响度级为70方。以1kHz纯音为基准音，通过对比实验，可以得到整个可听范围内声音的响度级。如果把响度级相同的点连接起来，便得到一组曲线簇，称等响曲线，如图1所示。

图1 自由场纯音等响曲线

从等响曲线中可看出，在同样声压级时，人耳对3kHz~4kHz的声音特别敏感，而对低频声不敏感，对8kHz以上高频声也不敏感。

为了用声音的客观物理量来表达人耳听觉的主观感受，可在声学测量仪器中加入模拟人耳听觉特性的计权网络，使所接收的声音在人耳敏感的频域加以增强，人耳不敏感的频域加以衰减，就可从仪器上直接读出反映人耳对噪声感觉的数值，使主、客观评价量趋于一致，这种通过计权网络读出的声级叫做计权声级，计权网络有A、B、C、D四种，A计权网络是模仿40方等响曲线设计的，它对低频声（500Hz以下）衰减较大，而对1kHz~5kHz的声音不衰减，甚至稍有放大；B计权网络是仿效70方等响曲线设计的，低频有衰减；C计权是仿效100方等响曲线，有近似平直的响应；D计权网络是为测量飞机噪声而设计的。图2为A、B、C、D四种计权网络响应曲线。实践证明，A计权网络比较接近人耳对声音的感觉特性，所以在噪声测量仪器（如声级计）中普遍采用A计权，所测得的声级就称作A声级。

2．噪声的客观物理量度及倍频带声压级与计权声压级的转换关系

作为噪声的客观物理量度，可用我们熟悉的声压级或声功率级以及噪声的频谱特性，即测量噪声的总声压级，声功率级和各倍频带或1/3倍频带宽的声压级。

定义噪声声压级，即

（dB）

其中

为参考声压值，为

其声功率级，即

（dB）

其中

为参考值，取

。

如果已知噪声的各倍频带声压级，可以将其转换为计权声压级。如设

为测得的各倍频带的声压级（dB），则按声压级定义，有

（dB）

即

那么，几个倍频带声压级叠加后总声压级

为：

由总声压级

转换为总A声级

时，有：

（dB(A)）

式中

为第i个倍频带的A计权修正值。一般测量倍频带取63Hz~8kHz的八个倍频程。A计权的

值见表1。

表1 倍频程A计权网络修正值

倍频带中心频率（Hz）	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
修正值 （dB）	26	16	9	3	0	-1	-1	+1

3．噪声的分析方法

由于城市交通噪声是随机噪声，因此对其测量数据的处理必须使用统计方法、能量平均方法，否则无法对其作出正确的量度和评价。

（1）统计声级

表示在整个测量时间内有10%的时间的声级超过此声级。如果等时间间隔取样，即表示有10%的声级高于此声级，其余90%的声级低于它，则

表示平均噪声的峰值。

（2）统计声级

表示在整个测量时间内有50%的时间的声级高于此声级。如果等时间间隔取样，即表示有50%的声级数据高于此声级，而其余的50%的声级低于它，则

相当于平均噪声级。

（3）统计声级

表示在整个测量时间内有90%的时间的声级高于此声级，如果等时间间隔取样，即表示有90%的声级高于此声级，而其余的10%的声级低于此声级。它相当于本底噪声级。

以上三种统计声级的计算方法是：将测得的所有数据从大到小排列起来，然后从大开始数，第所有数据10%处的数据就是

，依次50%处的数据就是

，而90%处的数据就是

。

（4）统计值标准偏差

定义为：

式中

为测量的第i个声级;

为测得的所有声级的算术平均值。

（5）等效连续声级

作为以听力保护为目的的环境噪声评价方法不只是着眼于瞬时声级的高低，而是基于噪声暴露的概念上。在噪声暴露的整个过程中，声级是起伏的。对于这种噪声的评价方法一般采用等效连续声级。这一方法的实质是把变化的一段时间的作用结果，等效成一个固定不变的声级在上述同样长时间内的作用结果，实际上等效连续声级的数值是声能的平均值，即：

（dB(A)）

式中

是t时刻所测量的瞬时A声级；

T是噪声暴露时间。

在实际中测量时间间隔不可能无限小，因此进行有限的等时间间隔取样。此时间间隔为5秒钟，这样上式化为：

（dB(A)）

式中

为第i次测量值（dB(A)）

n为测量总次数。

此工实际上是声级平均表达式，所以

值也叫平均A声级，记作：

这里

是测得的各次瞬时声级按能量迭加法则求得的总A声级。

4．噪声的测量方法。

噪声源发出的噪声，由声级计直接测量，读出声级或由磁带记录仪录下噪声信号，再把录下的信号回放，用计算机、分析仪或声级记录仪进行分析处理，可记下声级大小和噪声的频谱特性曲线，便于对噪声进行分析研究。

实验仪器：

声级计，又叫噪声计，是一种按照一定的频率计权和时间计权测量声音的声压级或声级的仪器，是声学测量中的最基本而又最常用的仪器。声级计可以用于环境噪声、机器噪声、车辆噪声以及其他各种噪声的测量，也可以用于电声学，建筑声学等测量，如果把电容传声器换成加速度计传感器，配上积分器，就可以利用声级计来测量振动

噪声现场测量大都采用声级计，它是具有规定的频率及时间计权网络，可测量声级和倍频程声压级的仪器，其种类较多，但一般由传声器、放大 器、衰减器、计权网络、检波器、指示器及电源等部分组成，并且可以外接倍频程滤波器。

声级计设有线性，A、B、C等计权网络，可以测量噪声总声级和计权声级。配有倍频程滤波器，可测各倍频带声压级。

用声级计测量噪声时，要合理选择测点，正确读数和记录以及考虎测量环境条件的影响。

（1）根据噪声测量的对象，选择合适的时间和测点。

如测量交通噪声应选择在交通噪声比较稳定的时间内，测点按有关测量标准中的规定选择。

（2）选择合适的测量环境，尽量避免环境和气象因素的影响。

如测交通噪声时，在选定的测量位置上声级计放在靠公路一侧的人行道上，传声器在离地面1.2m高处，其距反射面距离一般应不小于2m。测量过程中要防止非测量人员围观。以完形成的“人墙”和他们说话声等对测量结果的影响。另外，测量时的天气应无雨，风力不超过五级为避免风对测量结果的影响，传声器要加防风罩。

（3）正确使用声级计，恰当选择档位。

测量前，要检查实验中所用仪器的性能，对声级计要做必要的校准、检验工作。然后针对实验中你所使用瑾的声级计的要求进行正确的操作。

我们在这个实验中采用BK2270型声级计进行噪声测量。2270型声级计为双通道、手持式分析仪和声级表，拥有在环境、职业和工业应用领域执行高精度、1 类测量任务所需的所有组件。可进行频率分析、FFT、高级记录（性能分析）和声音录制。它的两个测量通道允许依照 IEC 61043 执行声音强度测量、声音功率测量和双通道建筑声学测量。

2270型声级计可进行双通道输入（传声器、声音强度探头、加速度计或直接信号）；使用附带的 4189 型传声器，宽频线性频率范围可达4.2 Hz - 22.4 kHz；使用附带的 4189 型传声器，A加权动态范围可达16.6 dB - 140 dB；输入信号可通过AC 或 CCLD，外部触发器；输出信号可通过生成器和耳机；通过USB、LAN或GPRS/3G调制解调器通信。

实验步骤：

1. 环境噪声测量：

打开电源，进入菜单选择声级计（高级），选定测量时间和计权单位开始测量。停止测量保存数据，可添加照片语音文字等备注，并通过数据线导出数据到电脑。如图2所示。

图2 声级计声信号测量界面 图3 加速度信号测量界面

图中LAeq项为当次所测A计权下的噪声等效声压级LAFmax项表示频率计权为A、时间计权为fast的最大声压级测量模式一般选择自动预订时间为预设本次测量持续时间，结束测量时可摁图中发光键停止测量或等到预定时间结束则停止测量。

2.振动信号的测量添加加速度计模块

操作步骤：打开电源，进入菜单选择2-CH VIB.FREQ.ANALYZER，选定测量时间和计权单位开始测量。停止测量保存数据，可添加照片语音文字等备注，并通过数据线导出数据到电脑。如图3所示。

图中实线和虚线可分别选择加速度线性，加速度快档最大，加速度快档最小等选项横坐标为频率，纵坐标为幅值根据加速度计连接端口选择CH-1或CH-2

图4 声级计底部连接加速度计示意图

打开BK2270下端盖子，通过数据线连接BK2270与加速度计，加速度计通过双面胶固定值被测物体表面，如图4所示。仪器下方共有两个数据输出端口两个输入端口，一个3.5mm耳机接口，一个网线接口，一个USB接口，经检测各项接口均可正常工作。声级计与外接加速度计均可正常工作。

上述步骤完成后，可以开始实验记录，此声级计功能较全，除可以完成噪声测量外，还可以对所测数据进行统计分析，并配有交，直流输出插孔，供与其它数据记录与处理系统相连接，另外还配备相应的一倍频程滤波器，可以完成对噪声频率特性的测量。

实验内容与要求：

1．内容：

同声级计测量市区交通运输干线上的交通噪声。

2．要求

（1）做好测量前的准备工作；

（2）测量时，每隔5秒钟读数一次，共读200次，并认真记下测量结果；

（3）记下测量的起止时间；

（4）画出测量位置的平面草图；

（5）根据所测数据计算统计声级

及等效连续声级

和标准偏差

。

思考题：

1．进行本实验时，有哪些因素会影响测量结果。

2．根据各种计权网络曲线的特性，如何由测得的不同计权声级值来判断噪声的频率特性？