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雜訊測量儀器

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雜訊測量儀器是雜訊測量儀器種類很多,最基本、最常用的是聲級計和頻譜分析器。

1 雜訊測量儀器 -雜訊測量儀器

  聲級計  按用途可分為一般聲級計、脈衝聲級計和積分聲級計(雜訊暴露計或雜訊劑量計)。按準確度可分為四種類型,即0型、1型、2型和3型。0型聲級計的準確度是±0.4分貝,是實驗室標準聲級計;1型聲級計的準確度是±0.7分貝,一般在實驗室或聲學條件可以嚴格控制的現場使用;2型聲級計的準確度是±1分貝,適用於一般現場雜訊測量;3型聲級計的準確度是±1.5分貝,一般用於現場雜訊的普查。
  聲級計一般都具有A、B、C的頻率計權特性和「S」(慢)、「F」(快)的時間特性。有的聲級計還有「I」(脈衝)的時間特性。有的還有D頻率計權特性,它是為了測量飛機雜訊而設置的,測的聲級稱為D聲級A、B、C、D的頻率計權特性是模擬人的聽覺特性,並已標準化(圖1)。   聲級計由傳聲器、電壓放大器(或衰減器)、頻率計權網路(或濾波器)、有效值檢波器和指示器等組成(圖2)。傳聲器是一種換能器,它把所測的雜訊信號變成電信號。電壓放大器或衰減器對由傳聲器傳來的電信號進行適當的放大或衰減,信號經過頻率計權網路(或濾波器)和有效值檢波器進入指示器顯示出數據。聲級計給出的數據就是所測的雜訊在一定條件下的聲級值。   傳聲器是直接影響聲級計測量準確程度的關鍵部件。對傳聲器的性能要求是:①頻率響應特性平直;②靈敏度高而且穩定;③受外界環境(溫度、濕度、電磁場、振動)的影響小;④無指向性;⑤線性動態範圍大;⑥雜訊低。常用的傳聲器有電容傳聲器、駐極體電容傳聲器和壓電晶體(陶瓷)傳聲器。
  傳聲器把聲壓變成電壓,電壓一般都很微弱,電壓放大器把微弱的電信號放大,以滿足指示器的需要。對於電壓放大器的要求是:①增益足夠大而且穩定;②頻率響應特性平直;③有足夠的線性動態範圍;④耗電小。由於聲級計不僅要測量微弱的信號,還要測量較強的雜訊,所以聲級計又須設置衰減器。衰減器和放大器一般是分成兩個或三個部分以利於提高信噪比。
  計權網路是由電阻和電容組成、具有特定頻響特性的濾波器。由於目前在雜訊測量評價中廣泛應用 A計權聲級,因此各種類型的聲級計至少應具有A特性的計權網路。用A計權網路測得的聲級稱為A計權聲級或A聲級(LA),單位是分貝。B計權網路現在很少使用,C聲級(LC)的值只供參考用。把LALC的值加以比較,可粗略判斷雜訊頻譜特性。如LCLA時為高頻雜訊;LC>LA時為低頻雜訊。
  有效值檢波器是聲級計的一個重要組成部分。在聲級測量中,用得最多的是有效值(均方根值),一般聲級計都設有效值檢波電路。表示信號大小的參數除了有效值外,還有峰值(分為正峰值、負峰值、最大峰值),所以有的聲級計除了設有效值指示外,還設有峰值指示。
  目前聲級計的指示方式大部分採用電錶指示。測量有效值時的平均時間有3種:①「F」(快)──電錶電路的時間常數約為125ms;②「S」(慢)──電錶電路的時間常數約為1s;③「I」(脈衝)──電錶電路的時間常數是35ms。具有「I」時間計權特性的聲級計,可用來測量脈衝雜訊。
  近年來有些聲級計採用數字顯示,還可通過BCD碼輸出使它能同其他分析處理儀器和電子計算機配合使用。
  對於聲級隨時間變化的非穩定雜訊,須測量其等效連續聲級Leq和雜訊劑量,為此設計了積分聲級計。積分聲級計可以預置時間T,使儀器在測量時間內給出Leq值或雜訊劑量。雜訊劑量或雜訊暴露量E由下式表示:

雜訊測量儀器

式中T為測量時間,單位為小時(h);p為A計權聲壓,單位為帕(Pa)。雜訊暴露量的單位是二次方帕小時(Pa2·h)。1Pa2·h等於在85dB聲級下暴露8h。按以上計演算法,聲級增加3dB,雜訊暴露量增加一倍。但有的國家(如日本和美國)採用聲級增加5dB,雜訊暴露量增加一倍的計演算法。某一時間T內的等效連續雜訊級Leq和雜訊暴露量之間的關係如下式:

雜訊測量儀器

式中T為積分時間;p0為基準聲壓。雜訊暴露量或雜訊劑量可用百分數來表示。例如以 1Pa2·h作為100%,則0.5Pa2·h的雜訊劑量為50%,2Pa2·h為200%,依此類推。
  為了保證測量準確度,聲級計在使用前後必須校準。常用的聲學校準器有活塞發聲器和聲級校準器等。活塞發聲器的工作頻率是 250Hz。聲級校準器是用小型揚聲器作為聲源,其工作頻率是1000Hz。它們產生的聲壓級是穩定的。
  頻譜分析器  一般是由帶通濾波器和聲級計組成。濾波器的通帶寬度決定頻譜分析器的類型。常用的頻譜分析計有倍頻帶分析器、窄帶分析器和恆定帶寬分析器。
  倍頻帶分析器是工程上常用的一種分析器,一個倍頻帶的上限截止頻率是其下限截止頻率的兩倍。每個倍頻帶的中心頻率是下限截止頻率的匇倍。倍頻帶分析器的各頻帶的常用中心頻率為 31.5、63、125、250、500、1000、2000、4000、8000Hz等。
  如果對雜訊進行更詳細的頻譜分析,就要用窄帶分析器,如1/3倍頻帶分析器是常用的分析器。1/3倍頻帶分析器各頻帶的上限截止頻率與下限截止頻率的比值為匎。1/10倍頻帶分析器的這個比值則為匌。
  恆定帶寬分析器的帶寬是固定的,與頻帶的中心頻率無關。例如分析器的帶寬是20Hz、中心頻率是 110Hz,則該濾波器的下限截止頻率 是100Hz,上限截止頻率是120Hz;如中心頻率為 5000Hz,則其下限截止頻率即為4990Hz,上限截止頻率是5010Hz。恆定帶寬分析器在雜訊測量分析中用得較少,在振動測量中用得較多。倍頻帶濾波器和 1/3倍頻帶濾波器的中心頻率和上、下限截止頻率如表所示。   在雜訊測量中,可利用磁帶記錄器把現場雜訊記錄下來,帶回實驗室分析。這種記錄和重放雜訊的記錄機器,和家庭用的錄音機不同,應具有頻率響應特性平直、線性動態範圍寬(雜訊低)以及驅動速度穩定等特性。聲級自動記錄器在雜訊測量中也得到廣泛的應用。它常與聲級計或頻譜分析器聯合使用。
  隨著儀器製造技術的發展,實時分析儀、快速傅里葉變換處理機、相關器、電子計算機以及微處理機等在雜訊測量分析中得到廣泛的應用,從而顯著地提高了測量分析的速度和準確度。
  參考書目
 C.M.Harris, Handbook of Noise Control, McGraw-HillInc.,New York,1979.
 J.D.Irwin & E.R.Graf,Industrial Noise and Vibration Control, Prentice-Hall Inc., New Jersey,1979.

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