赛为斯声学基础课-从认识声级计到选型

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赛为斯声学基础课-从认识声级计到选型

文章出处：技术资讯网责任编辑刘倩阅读量：发表时间：2020-06-04 09:51

赛为斯声学基础课-从认识声级计到选型
一、概述
(一) 用途
声级计是一种按照一定频率计权和时间计权测量声音声压级和声级的仪器。它是声学测量中最常用的仪器，能把工业噪声、交通噪声、环境噪声和生活噪声等，按人耳听觉特性近似地测定其噪声级的仪器。
声级计可以应用于环境噪声、机电产品噪声、交通噪声、建筑声学和电声学等测量。有些声级计通过更换接受部分，还可以用来测量振动。声级计外部联接或内部设置倍频程滤波器或1/3倍频程滤波器，可以进行噪声的频谱分析。
随着电子技术尤其是大规模集成电路和计算机技术的发展，声级计中的频率计权、检波器和滤波电路都通过数字信号处理技术代替模拟电路来实现。这不仅使得电路更加简化，动态范围更宽，而且功能和稳定性也大大提高，尤其是可以实现实时频谱分析，使声级计的用途更加广泛。
(二) 分类与特点
声级计按功能来分：分为测量指数时间计权声级的常规声级计，测量时间平均声级的积分平均声级计，测量声暴露的积分声级计(以前称为噪声暴露计)。另外有的具有噪声统计分析功能的称为噪声统计分析仪，具有频谱分析功能的称为频谱分析仪，具有实时频谱分析功能的称为实时频谱分析仪或实时信号分析仪，具有多路测量功能的多通道声学分析仪。
按精度来分：根据最新国家标准GB/T 3785.1-2010(IEC 61672-1：2002)，声级计分为1级和2级两种，它们的性能具有相同的指标中心值，只是允许误差2级比1级大。在参考条件下，1级声级计的准确度±0.7dB。2 级声级计的准确度±1.0 dB。(不考虑测量不确定度)。
常规声级计特点
操作简单、价格便宜，通常只显示瞬时声级和最大声级。以前用电表显示测量值，现在都是用数字显示。通常不带数据储存和打印功能，用于一般噪声测量。
积分平均声级计和积分声级计特点
积分平均声级计是一种直接显示某一测量时间内被测噪声的时间平均声级即等效连续声级(Leq)的仪器，通常由声级计及内置的单片计算器组成。单片机可以按照事先编制的程序对测量值进行运算、处理，再在显示器上显示。
积分平均声级计通常具有较宽的动态范围和自动量程调节功能，使量程的动态范围扩大到80~100dB，在测量过程中无需人工调节量程。积分平均声级计可以预置测量时间，例如为10s、1min、5min、10min、……1h、4h、8h等，当到达预置时间时，测量会自动中断。
积分平均声级计除显示Leq外，还能显示声暴露级LAE和测量经历时间。声暴露级LAE是在1s期间保持恒定的声级，它与实际变化的噪声在此期间内具有相同的能量。声暴露级用来评价单发噪声事件，例如飞机飞越、轿车和卡车开过时的噪声。知道了测量经历时间和此时间内的等效连续声级，就可以计算出声暴露级。
积分平均声级计还可以测出噪声在空间分布不均匀的平均值，只要在需要测量的空间移动积分平均声级计，就测量出随地点变动的噪声的空间平均值。积分平均声级计主要用于环境噪声的测量和工厂噪声测量，尤其适宜作为环境噪声超标排污收费使用。
积分声级计又叫声暴露计，其结构功能和积分平均声级计类似，用于测量声暴露E(单位为Pa2h，即帕平方小时)或噪声剂量Dl(百分数)，主要用于评价噪声对人耳的损伤影响，通常做成个人佩戴型式，称之为个人声暴露计或个人噪声剂量计，适用于劳动卫生和噪声职业病防治。
噪声统计分析仪特点
噪声统计分析仪是用来测量噪声级的统计分布的积分声级计，它同样能测量并用数字显示A声级、等效连续声级Leq，它还能测量并直接指示累计百分声级LN，以及用数字或百分数显示声级的概率分布和累计分布，通常它还能进行24h监测。
噪声频谱分析仪特点
频谱分析仪由声级计和滤波器组成，用于进行频谱分析。通常采用倍频程滤波器或1/3倍频程滤波器。这是两种恒百分比带宽的带通滤波器，倍频程滤波器的带宽，即其上限频率与下限频率之比为21，1/3倍频程滤波器的带宽，即其上限频率与下限频率之比为21/3。滤波器的中心频率、频带宽度和衰减特性等应满足GB/T3241-2010(等同IEC 61260-1995)《倍频程和分数倍频程滤波器》标准的要求。
实时信号分析仪特点
实时信号分析仪是一种数字频率分析仪，它采用FFT、数字滤波、检波和平均技术代替模拟电路来进行噪声的测量和频谱分析。数字滤波器是一种数字运算规则，当模拟信号通过采样及A/D转换成数字信号后，进入数字计算机进行运算，使输出信号变成经过滤波了的信号，也就是说，这种运算起了滤波器的作用。我们称这种起滤波器作用的数字处理机为数字滤波器。
实时信号分析仪可同时测量A、C、Z计权声压级和频带声压级，时间计权F，S，I，Peak C可并行工作。不仅分析速度快，不仅能分析稳态信号，而且也能分析瞬态信号，立刻就可以在荧光屏上显示出频谱变化，并可将分析得到的数据输出并记录下来。有些实时分析仪还能作相关函数、相干函数、传递函数和声强等分析，其功能也就更多。
环境噪声自动监测系统特点
环境噪声自动监测系统通常由全天候噪声监测终端、传输线路(有线或无线)、中心站主控计算机等几个部分组成。全天候噪声监测终端由全天候传声器测试单元、信号计权放大、信号处理和控制单元、内存、接口及电源等部分组成完整终端。具有防雨、防风、防鸟停等功能，还应能自动校准。
它应能自动将数据传输到中心站，而不需通过人工采集或将仪器带回中心站再将数据送入计算机。它应能多点联网工作，因为噪声测量往往是许多测点同时进行，它们的数据都要传送到中心站，并自动生成各种形式的报告。
可以按照声环境质量国家标准中定点测量方法，应用于1个或多个测点，进行长期噪声定点监测，以获得某一区域或整个城市的环境噪声的平均水平和噪声污染的时间分布。同样也可用于测量道路交通噪声、工厂厂界噪声、施工场界噪声和社会生活噪声等。
(三) 产品国内外现状
国内生产声级计的厂家主要有：杭州爱华仪器、红声器材厂嘉兴分厂、北京声望等单位。国产声级计大多是采用模拟技术数字显示的中低档产品为主，一般用途声级计完全能满足国内市场需要，杭州爱华仪器有限公司已研发生产多款采用数字技术的实时信号分析仪产品。高档实验室使用声学仪器，尤其是计量标准几乎被丹麦B&K公司为代表的外国公司垄断，它们的测试传声器性能稳定，尤其是长时间稳定性，以及产品品种方面都有较大优势。
(四) 技术发展趋势
模拟声级计将趋于淘汰；
数字化、小体积、多功能已经成为未来声级计产品主要的发展趋势；
数字信号处理技术和实时信号分析将会得到广泛应用。
二、基本工作原理
声级计主要由：测试传声器、前置放大器、衰减器、频率计权和放大器、检波器、A/D转换、数据处理、采集存储、显示、过载检测和显示、欠量程检测和指示、电源和接口等部分构成，为了分析频谱，有的声级计还内置有滤波器。一般模拟声级计的原理框图如图1所示。

测试电容传声器将被测声信号转换成电信号，经前置放大器阻抗变换后，经过衰减和放大，再经频率计权和滤波，再由检波电路(通常为对数有效值检波电路)将交流信号转换为直流信号，经A/D转换和数据处理电路，一方面由数字显示器显示声压级测量结果，另一方面将测量数据送给数据存储电路。
数字化声级计的原理方框图如图2所示：

数字化声级计由数据处理单元控制、A/D变换器和软件，将被测声信号转换成数字信号，再由数据处理单元进行数学运算，实现声信号的测量和分析，可以进行频域和时域实时信号分析。
对于多通道声级计可以实现相关分析、声强测量、声功率测量、噪声源定位、声全息系统和建筑声学测量。更换传感器，还可以用于振动测量和分析。数据处理单元可以是高性能单片机(如ARM)，也可以是数字信号处理器(DSP)。
三、主要技术指标
由于数字声级计代表声级计的发展趋势，以下叙述数字化声级计的主要技术指标：

§
满足标准的准确度等级
1级和2级。
频率范围
指被侧声信号所能达到的最高带宽，既取决于测试传声器的频率范围，也取决于声级计电路，以及采样频率。要求1级声级计的频率范围至少为10Hz～16kHz，2级声级计的频率范围至少为31.5Hz～8 kHz。
测量范围
指声级计能测量的最高声压级和最低声压级。
最高取样速率
是单位时间内对模拟输入信号的取样次数，取样速率常以每秒取样的次数(次/s)或频率(Hz)表示。
级线性范围(动态范围)
除模拟电路的动态范围外，还取决于A/D转换器的位数，如A/D转换器是16位，级线性范围约为70 dB；如A/D转换器是24位，级线性范围约为90 dB。
频率计权
必须具有A计权，1级声级计也应有C计权,还可以有Z计权(零计权)或Flat(平直)频率响应。
时间计权
F、S、Peak。
滤波器准确度等级
分为0级、1级和2级。
滤波器带宽
倍频程和/或1/3倍频程。
实时分析速度
一般指每秒钟分析频谱的速度。
测量功能
瞬时A声级LA、最大声级Lmax、峰值C声级LCPeak、时间平均声级(等效声级)Leq、声暴露级LAE、声暴露E、噪声剂量Dl、累计百分声级LN、频带声压级、声强级和声功率级等。
四、选购注意事项

声级计的选择主要考虑它的功能，如单纯测量噪声A声级，只需选择常规声级计。如需测量环境噪声，由于环境噪声起伏较大，常常需要测量时间平均声级或叫等效声级。另外还要按照测量的准确度要求选择声级计的等级。声级计按选购时要考虑的因素逐一排序(如图3所示)，就不难选择最适合您测量要求的声级计。
选购声级计应考虑因素：
价格
选购声级计首先需要考虑产品价格范围。声级计的价格取决于许多因素，包括功能、准确度等级、通道数、存储容量等。一般情况下，相同指标的声级计，国产比进口产品价格便宜很多。
功能
对于声级计，测量功能是最重要的指标，它不但决定着声级计的应用范围，而且与声级计的价格关系最大。根据被测信号的类型，对于稳态噪声信号，声级计的功能只要测量瞬时声压级;对于非稳态信号的测量，一般要求测量时间平均声级或叫等效声级;对于需要进行频谱分析，则要选择噪声频谱分析仪。
通道数
一般的声级计只有1个通道，只测量1路声压级。有时需要测量多路声压级，就需要选用多通道，例如测量声强级就需要2个通道，测量声功率级需要更多通道，多通道声级计大大扩展了声级计的用途。
准确度等级
声级计准确度等级：1级和2级
频谱分析功能
为了对噪声进行频谱分析，需要选择频谱分析功能。在声学测量中用得最多的是倍频程和1/3倍频程频谱分析。以前频谱分析使用模拟滤波器来实现，现在大都采用数字技术，通过数字滤波器进行实时频谱分析。
测量范围
声级计的测量范围有时要考虑它的测量上限，以便测量高声压级，如140dB，甚至到160dB以上；有时要考虑它的测量下限，以便测量低声压级，如20dB以下；通常声级计的测量范围在25dB至130dB范围内。
接口
目前的声级计一般都含有RS232、USB等接口，用于连接到微型打印机或计算机，用户可以根据测试需要选择。
校准
声级计在使用过程中需要使用声校准器进行声校准，声校准器往往作为声级计的配套仪器，成为声级计的组成部分。声校准器有活塞发声器和声级校准器两种，活塞发声器产生250Hz、124dB声压级，准确度等级为1级或0级；声级校准器产生1000Hz、94dB声压级，准确度等级为2级或1级。1级声级计需使用1级或0级声校准器校准，2级声级计需使用2级或1级声校准器校准。
是否取得制造计量器具许可证
声级计、噪声统计分析仪、噪声剂量计和个人声暴露计等噪声测量仪器属依法管理的计量器具，根据中华人民共和国计量法规定，制造这类计量器具应取得制造计量器具许可证，国内或本单位未生产过的计量器具新产品应当经形式评价和型式批准，并取得型式批准证书才能进行生产。
进口的计量器具，必须经省级以上人民政府计量行政部门检定合格后，方可销售。当这些计量器具用于安全防护、医疗卫生、环境监测方面时，实行强制检定，使用单位应定期申请周期检定，未按照规定申请检定或检定不合格的，不得使用。

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