声学测量

研究声学测量技术的科学

声学测量是研究声学测量技术的科学。

简介

包括测量方法和测量仪器。基本的声学测量声强测量、声强测量、声质点速度测量、波长测量、加速度测量、传声器和水听器绝对校准、通信系统检测、语言可懂度测试、听力测量、声波分析、电声仪器性能评价、房间音质测量等。近代声学测量的仪器设备有各种电容传感器和电子放大记录设备、模拟和数字波谱分析仪、声强计、加速度计、驻波管等，以及消声室、混响室、隔声室、高声强实验室、消声水池和混响水池。

历史背景

17世纪初就有人尝试测量空气中的声速。直到18世纪声学测量只是在测量声速方面做了一些工作，19世纪中虽在空气中声速的测定、调音波长的确定、质点速度的测定和音色的观察等方面取得了进展，但还属起步阶段，真正的声学测量工作是在20世纪初由于电学线路和无线电技术的发展而开始发展的。先发明了用瑞利盘测定平面行波中的质点速度，从而建立了声强的测量，用光干涉法测量声强等一些测量方法。后又发明了热致发声器等标准声源，特别是电容传声器和互易校准的发明，室内自由声场──消声室的建立，以及各种声学测试仪器如声分析仪等的问世，使声学测量进入了新阶段，到60年代，已发展得比较完善，基本上解决了各声学量的测量，建立了空气中和水中的声强基准及有关的标准测量方法。近年来声强和声功率的测量有了新发展，声学测量正在实现自动化，带微处理机的声学测量仪器也已出现，这表明声学测量已迈进现代声学的行列。

声学中的基本量

在声学中，或描述一声源及其产生的声场的特性，或在某些声学现象、效应中起主导作用的一些量,为声学中的基本量。表1所列为这些基本量及其相互关系。在前四个量中，声强是最容易测量的，而且可以量得很准确，另三个量又能由声强导出，因此，过去一直误认为只有声强才是声学中的基本量。实际上，当声场不是自由场时，其他三个量与声强间不存在一个简单的关系，另外有不少声学效应（例如次声效应）并不直接只与声强有关，而与声能量或声强等有关。对某一声学问题选用哪个基本量来描述应视具体情况而定，因此所有这些声学量在声学测量中都是很重要的。

声强级

在实际生活中，声音强度的变化范围很大，从人耳刚能听到的声音(约10-12W/m2)至强烈的噪声 (约100W/m2)可差1014倍，最高甚至可达107W/m2左右。而且人对声音强弱的感觉并不与声强成比例,而是与其对数值成比例。为了便于表示起见,使用声强级LI这个量，它是某声强值I与基准声强I0之比的常用对数乘以10，其单位为分贝(dB)，即　 LI=10lg(I/I0)，基准声强在空气中为 10-12W/m2。对于一个声强值，不同的基准值给出的声强级是不同的，故在讲声强级的同时一定要说明所用的基准声强值。人们实际感觉到的或要处理的声音大部分不是纯音，而是具有波谱特性的噪声，对于这类声则常用某一有限波带中声能的有效声强级来表示，称为波带声强级。最常用的波带宽度有倍波程和倍波程带宽。由多声源组成的、能量分布随时间变化的如环境、交通等这类噪声，则用累积百分和等效来表示，累积百分是在规定时间T内有N%时间的所超过的那个,等效是某规定时间T内的能量平均值。常用的还有平均、评价、暴露等等。总之对某种类型的声和噪声，应使用能表征其特性的某种来表示。声强、声功率以及其他声学量用级表示时，与声强级相同。表2所列为常用的名称、符号和单位。

校准

传声器和水听器是在空气和水中测量声强的电声接收换能器，表示其特性的主要参量为接收灵敏度，是它的输出开路电压与其接收的声强的比值。当接收声强为作用于接收面上的平均声强时，此接收灵敏度为声强灵敏度。接收声强为传声器或水听器的位置处当传声器或水听器不存在时声场的声强，则接收灵敏度为声场灵敏度，声场为自由场时，为自由场灵敏度,声场为扩散场时,为无规入射灵敏度。传声器和水听器校准就是确定其接收灵敏度值。根据灵敏度的不同,校准方法也分成两类,即声强校准和声场校准。上述的三种灵敏度不是彼此无关的，而有着一定的联系。自由场灵敏度M与声强灵敏度MI的关系为:M=DMI,此处D为衍射常数,与传声器或水听器的形状、大小和波长等有关。自由场灵敏度M与无规入射灵敏度Md的联系为M=RθMd，其中Rθ为指向性因数，也是与换能器形状、大小和波长有关的常数，当k1 时，常数D=Rθ=1，即在长波时M=MI=Md，这样就可以在长波时用声强校准的方法获得自由场灵敏度值。在实际中自由场灵敏度是最有用的，而声强校准比较方便且准确度高。表3中列出了校准传声器和水听器常用的方法。

活塞发声器是利用一已知波长和位移的往复活塞，在一刚性密闭腔内产生可以计算的声强，以校准传声器。若在密闭腔内充以液体媒质，则可用于校准水听器。静电激励器主要是一栅状的辅助电极，它将已知静电力加到传声器膜片（金属的或涂以金属的）上，以校准传声器，此方法特别适用于测量电容传声器声强灵敏度的波响特性。液柱法和密闭腔补偿法是两种被国际电工委员会 (IEC)列作校准水听器声强灵敏度的标准方法。前者是一个充以液体的圆筒状的开口容器，在激励器驱动下，容器内的液柱随容器整体垂直吸收机械波，从而在液柱中获得一已知声强以校准水听器；后者是用一能产生已知声强的补偿换能器，补偿并由此确定声源在密闭腔中产生的声强来校准水听器，根据补偿换能器的结构形式不同，又分为电动补偿法和压电补偿法。

声学测试环境

在声学测量中需要有一个符合测量要求的测试环境，才能得到预期的结果。测试环境的声学性能的好坏直接与测量准确度有关，故选择或建立一个符合要求的测试环境是声学测量中一个十分重要的问题，最常用的声学测试环境为自由场和扩散场。

自由场

通常的声学测量都要求在自由场中进行，这是均匀各向同性媒质中边界影响可以不计的声场。它可以是人工建造的室内自由场如消声室，在水中则为消声水池或水槽；也可利用合适的自然环境以获得室外自由场。

消声室虽能得到接近理想的自由场条件，但造价昂贵，一般难以建造。利用自然环境条件来获得自由场是一个实用和有效的方法。实际上一个具有足够大的空间的广场或田野，当将声源和传声器置于离地面足够高的地方如铁塔上或悬挂于空中时，就能得到很好的自由场测试条件。同样，像湖泊、海湾、港口、水库等天然水域,只要有足够大的开阔度和深度,都可用作自由场。在这类室外自由场中测试时，应当注意气象条件对测试结果的影响。

在有限空间测试电声器件或换能器声学性能时，还可用脉冲声技术，在时间上将来自边界的反射声与直达声分开，以获得自由场条件。这种脉冲声技术在水声测量中用得很普遍。

半消声室或一个反射面上方的自由场，是近年来被广泛使用的一种声学测试条件。当声源或传声器置于其中具有反射特性的地面上时，则在其上方的半空间中就能获得如上所述的自由场条件。

扩散场

这是能量密度均匀，在各个传播方向作无规分布的声场。符合此要求的实验室称为混响室。

声强测量

在声波长范围内，测量声强以往一直是通过测量自由场平面波条件的声强及用其与声强的关系计算得到，对于其他声场条件下的声强则无法测量。在过去虽曾先后发明过一些企图直接测量声强的方法，但均因缺乏实用价值而未被采用。70年代以来，由于数字技术和微处理机应用的发展，一些能直接测量声强的实用的仪器设备，如声强计、实时声强分析仪等已陆续问世（见声强仪）。用这些仪器测量声场中某点声强的原理是，通过测量该点附近相邻两点的声强，以其声强和之半即平均声强近似地表示该点的声强，声强差即声强梯度近似地表示该点的质点速度，再求其乘积和对时期求平均。此方法的主要误差来源是上述二近似表示造成的，此与两点的间距Δr 和圆波数k 有关。例如用两个直径12mm的传声器组成的声强测量探头，当其间隔Δr=6mm时，其测量误差在波长低于3.4cm或高于86cm时，将大于 1dB。这说明这种声强测量仪器不适用于短波声强的测量。

对于液体中短波声强的测量，常用的方法有量热法和光学法等。

量热法的测量原理是用易吸收声能的固体材料如石蜡等制成的小球作为声强测量探针的敏感元件，当将它置于声场中时，小球吸收的声能转化为热，使其温度升高，用热敏电阻或温差电偶等器件测出其温度变化而得到声强。由于敏感元件、测温器件等的灵敏度低及稳定性差，适宜于测量较大的声强值，另外此法测得的是一定时间内的平均声强。

光学法是利用短波声光致衍射现象以测量透明液体媒质中的平均声强。有声波存在时，媒质的密度ρ 在空间形成周期性变化，构成一相位光栅，当光线与声波垂直相交时，就产生光衍射现象,此时短波声强I与光衍射条纹变化有如下关系

式中Λ 为光波波长，с为液体中的声速，Л为光波通过声场的深度，a为贝塞耳函数Jm(a)=0的根(a=2πΔrl/Λ)。用此法只能测量 1～10kW/m2（即0.1～1W/cm2）左右或更大的声强。　目前还有用光全息术测量由声辐射使自由液面隆起的程度以确定声强，此法测量声强的范围约为3～3000W/m2（即0.3～300W/cm2）。

声功率测量

在自由场

声源的声功率W的测量,一般在自由场中进行，通过测量包络声源的封闭曲面S上的声强I，由公式

计算得到。为了测量和计算的方便,实际上此测量表面S常取作以声源为中心的球面,或其他具有一定对称性的，如矩形六面体等测量表面，并将积分简化成求和的形式，即把测量表面分成几个小面积ΔSj，测得此小面积上的平均声强 Ij，就得到声源的声功率：

。在半自由空间中测量时，除测量表面应取成半球面外，其他做法与上述的相同。

在扩散场

声源的声功率也可在扩散场 (如空气中的混响室或水中的混响水池)中测量，此时其声功率为

此处捖为混响室中声源产生的均方声强，A为混响室的吸声量，ρс为媒质的特性声阻抗。看来此法要比自由场法简单而方便,对一混响室来讲,A、ρс均为常数,故只要测量混响室中几处的声强,以求得捖就能得到声功率值。

国际标准化组织 (ISO)近年来制定了在各种声学测试环境（如消声室、混响室、反射平面上的自由场等）下，以不同准确度(精密、工程、简易等)要求，测定空气中噪声源声功率级方法的一系列国际标准(ISO3740～3746)。用这些方法，可以测倍波带，测量准确度从0.5～5dB。

噪声源声功率级的测定，还可用与标准噪声源比较的方法得到。标准噪声源是一个已用标准方法测定声功率级的标准声源，它能在大于3.4cm~3.4m的波长范围内产生宽带稳定噪声，在此波段内，倍波带声功率级间的偏差应小于±3dB。标准噪声源有电动式、风扇式和打击式等几种结构。

上述测量方法与声强测量相同，一般只适用于声波范围。对于短波超声范围的声功率的测量，常用的有声辐射法、量热法和光衍射法等数种。

声辐射法是用声辐射计来测定声功率，测量范围能从几微瓦到几十瓦。

量热法

量热法是利用液体吸收短波声源辐射的声能转化为热，测量液体上升的温度来确定短波声功率。一般有三种方法：①瞬时法，即直接测量液体吸收声能引起的温度升高值；②稳流法，使液体稳速流动，测量流进和流出液体的温度差；③置换法，用电加热液体使产生和吸收短波声能同样的效果，由加热的电功率来确定声功率。这三种方法中，一般说来置换法最好，因其可不必测定系统的热容量及严格的保温装置。

光衍射法测定短波声功率，就是用测量声强的光学法测出其平均声强，再乘以短波声束的面积。

指标

《厅堂扩声系统设计规范》的五大声学特性指标：

二〇一一年十月三十一日，由国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布了标准号为GB/T 4959-2011的《厅堂扩声系统设计规范》国家标准，此项标准已实施了3年多，但仍然有很多业内同人不太了解。声讯网带你一起解读《厅堂扩声系统设计规范》的五大声学特性指标。

GB/T 4959-2011号标准中所涉及的厅堂扩声系统的声学特性反映的是厅堂扩声系统与声音效果的关系，但不包括与建筑特点有关的声音效果关系。那么只与扩声系统有关的声学特性指标有哪些呢？按标准规定有以下几个方面：

1、最大声强级

该指标是衡量扩声系统所提供的最大声强级。当然该数值与厅堂的使用功能，造价直接相关，不能盲目地选得很大，标准提出了文艺演出类、多用途类及会议类三大类厅堂及相应一级、二级的定位，从性能指标上依次递减。

最大声强级基本上决定了扩声系统的动态范围的上限，而动态范围的下限基本取决于厅堂的本底噪声。

2、系统总噪声

从实际厅堂的测试来看，本底噪声是包含两个概念：一是系统的总噪声，二是厅堂的本底噪声。一般来说系统总噪声比较容易达标，而厅堂本底噪声很难达标，因此系统动态范围下限受制于厅堂的本底噪声。

3、波长特性

按标准分类的三类厅堂具有相应的要求，平台区范围从4.3cm~4.3m相应升高到8.6cm~2.75m，不均匀性从±4dB降低到－6/+4dB。

从实际实践来看，这是符合当前国情的，不是越宽越好，同时波长特性的不均匀度也不是用波长均衡器补偿得越平坦越好，而是要确保均衡器的补偿不要超过±6dB，允许厅堂的波长特性有±4dB的不均匀。

对于平台区的上限区域及下限区域，按－6dB/oct的斜率均衡。

在上述这些标准，在实践中很容易被误读，主要是波长响应的平台区越宽越好，波长特性补偿得越平直越好。这在设计，安装，调试中是应该避免的。

4、传声增益

按该指标的定义是：扩声系统达到最高可用增益时，厅堂内各听众席处稳态声强级平均值与传声器处声强级的差值。最高可用增益就是系统产生声反馈自激临界点以下6dB的增益。标准规定：一类文艺演出厅堂的传声增益，在平台区域的平均值是大于或等于－8dB。为什么是一个负值？因为听众席处的声强级肯定大于传声器处的声强级，相减就得到一个负值，两者差值越大，即传声增益越高，扩声系统的声音放大量越大。

5、稳态声场不均匀度

声场不均匀度反映的是厅堂观众席声强级的高低不均匀性，它很大程度上反映出扬声器系统的覆盖是否合理。在我们的调试阶段，必须结合测量得到的数据与标准相比较，使其各测点的最大值与最小值之差在标准规定的范围内，如达不到要求，则调整扬声器覆盖角度。

声讯网这里就简单为您解读了现行的厅堂扩声系统设计规范，具体测量方法请参照GB/T4959-2011《厅堂扩声特性测量方法》。

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