噪聲測量之聲級計
2014-11-03
空氣分子本身固有的不規則運動及相互排斥會形成一個靜態的力，這個壓力就是大氣壓。聲音是空氣分子的振動，振動的空氣分子對它通過的截面就會產生額外的壓力，這種額外的壓力稱之為聲壓。聲壓比之大氣壓要小得多得多，一般用聲壓級來描述聲音的大小 , 即把一很小的聲壓 p0=2 х 10-5 帕作為參考聲壓，把所要測量的聲壓 p 與參考聲壓 p0 的比值取常用對數后乘以 20 得到的數值稱為聲壓級，單位是分貝（ db ）。 分貝 (dB) 是以美國電話發明家貝爾命名的，因為貝的單位太大，因此采用分貝，代表 1/10 貝。分貝的運算不是線性比例的，而是對數比例的，使用分貝描述聲音時需要同時給出頻率。
一、聲級計的原理和組成
聲級計是噪聲測量中最基本的儀器，一般由傳聲器、前置放大器、衰減器、放大器、頻率計權網絡以及有效值指示表頭等組成。
聲級計的工作原理是：由傳聲器將聲音轉換成電信號，再由前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號加到計權網絡，對信號進行頻率計權 ( 或外接濾波器 ) ，然后再經衰減器及放大器將信號放大到一定的幅值，送到有效值檢波器 ( 或外按電平記錄儀 ) ，在指示表頭上給出噪聲聲級的數值。
1 ）傳聲器是把聲壓信號轉變為電壓信號的裝置，也稱之為話筒，它是聲級計的傳感器。常見的傳聲器有晶體式、駐極體式、動圈式和電容式數種。
1.1 動圈式傳聲器由振動膜片、可動線圈、永久磁鐵和變壓器等組成。振動膜片受到聲波壓力以后開始振動，并帶動著和它裝在一起的可動線圈在磁場內振動以產生感應電流。該電流根據振動膜片受到聲波壓力的大小而變化。聲壓越大，產生的電流就越大，聲壓越小，產生的電流也越小。
1.2電容式傳聲器主要由金屬膜片和靠得很近的金屬電極組成，實質上是一個平板電容。金屬膜片與金屬電極構成了平板電容的兩個極板，當膜片受到聲壓作用時，膜片便發生變形，使兩個極板之間的距離發生了變化，于是改變了電容量，位測量電路中的電壓也發生了變化，實現了將聲壓信號轉變為電壓信號的作用。電容式傳聲器是聲學測量中比較理想的傳聲器，具有動態范圍大、頻率響應平直、靈敏度高和在一般測量環境下穩定性好等優點，因而應用廣泛。由于電容式傳聲器輸出阻抗很高，因而需要通過前置放大器進行阻抗變換，前置放大器裝在聲級計內部靠近安裝電容式傳聲器的部位。
2 ）放大器
一般采用兩級放大器，即輸入放大器和輸出放大器，其作用是將微弱的電信號放大。輸入衰減器和輸出衰減器是用來改變輸入信號的衰減量和輸出信號衰減量的，以便使表頭指針指在適當的位置。輸入放大器使用的哀減器調節范圍為測量低端，輸出放大器使用的衰減器調節范圍為測量高端。許多聲級計的高低端以 70dB 為界限。
3 ）計權網絡
為了模擬人耳聽覺在不同頻率有不同的靈敏性，在聲級計內設有一種能夠模擬人耳的聽覺特性，把電信號修正為與聽感近似值的網絡，這種網絡叫作計權網絡。通過計權網絡測得的聲壓級，已不再是客觀物理量的聲壓級（叫線性聲壓級），而是經過聽感修正的聲壓級，叫作計權聲級或噪聲級。
計權（又叫加權）參數是在對頻響曲線進行了一些加權處理后測得的參數，以區別于平直頻響狀態下的不計權參數。例如信噪比，按照定義，我們在額定的信號電平下測出噪聲電平（可以是功率，也可以是電壓、電流），額定電平與噪聲電平之比就是信噪比，如果是分貝值，則計算二者之差。這是不計權信噪比。不過，由于人耳對各頻段噪聲的感知能力是不一樣的，對 3kHz 左右的中頻最靈敏，對低頻和高頻則差一些，因此不計權信噪比未必與人耳對噪聲大小的主觀感覺能很好的吻哈。
如何將測量值與主觀聽感統一起來呢？于是就有了均衡網絡，或者叫加權網絡，對低頻和高頻都加以適度的衰減，這樣中頻便更突出。把這種加權網絡接在被測器材和測量儀器之間，于是器材中頻噪聲的影響就會被該網絡“放大”，換言之，對聽感影響最大的中頻噪聲被賦予了更高的權重，此時測得的信噪比就叫計權信噪比，它可以更真實地反映人的主觀聽感。
根據所使用的計權網不同，分別稱為 A 聲級、 B 聲級和 C 聲級，單位記作 dB(A) 、 dB(B) 和 dB(C) 。 A 計權聲級是模擬人耳對 55dB 以下低強度噪聲的頻率特性， B 計權聲級是模擬 55dB 到 85dB 的中等強度噪聲的頻率特性， C 計權聲級是模擬高強度噪聲的頻率特性。三者的主要差別是對噪聲低頻成分的衰減程度， A 衰減最多， B 次之， C 最少。 A 計權聲級由于其特性曲線接近于人耳的聽感特性，因此是目前世界上噪聲測量中應用最廣泛的一種 , 許多與噪聲有關的國家規范都是按 A 聲級作為指標的。
4 ）檢波器和指示表頭
檢波器作用是把迅速變化的電壓信號轉變成變化較慢的直流電壓信號。這個直流電壓的大小要正比于輸入信號的大小。根據測量的需要，檢波器有峰值檢波器、平均值檢波器和均方根值檢波器之分。峰值檢波器能給出一定時間間隔中的最大值，平均值檢波器能在一定時間間隔中測量其絕對平均值。脈沖聲需要測量它的峰值外，在多數的噪聲測量中均是采用均方根值檢波器。
均方根值檢波器能對交流信號進行平方、平均和開方，得出電壓的均方根值，最后將均方根電壓信號輸送到指示表頭。目前，測量噪聲用的聲級計，表頭響應按靈敏度可分為四種：
(1) “慢”。表頭時間常數為 1000 ms ，—般用于測量穩態噪聲，測得的數值為有效值。
(2) ”快”。表頭時間常數為 125ms ，一般用于測量波動較大的不穩態噪聲和交通運輸噪聲等。快檔接近人耳對聲音的反應。
(3) “脈沖或脈沖保持”。表針上升時間為 35ms ，用于測量持續時間較長的脈沖噪聲，如沖床、按錘等，測得的數值為最大有效值。
(4) “峰值保持”。表針上升時間小于 20ms ．用于測量持續時間很短的脈沖聲，如槍、炮和爆炸聲，測得的數值是峰值．即最大值。
二、聲級計分類
聲級計按精度可分為精密聲級計和普通聲級計。精密聲級計的測量誤差約為土 1dB ，普通聲級計約為土 3dB 。
聲級計按用途可分為兩類：一類用于測量穩態噪聲，一類則用于測量不穩態噪聲和脈沖噪聲。
積分式聲級計是用來測量一段時間內不穩態噪聲的等效聲級的。噪聲劑量計也是一種積分式聲級計，主要用來測量噪聲暴露量。
脈沖式聲級計是用于測量脈沖噪聲的，這種聲級計符合人耳對脈沖聲的響應及人耳對脈沖聲反應的平均時間。
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