賽為斯聲學基礎課-從認識聲級計到選型

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賽為斯聲學基礎課-從認識聲級計到選型

文章出處：技術資訊網責任編輯劉倩閱讀量：發表時間：2020-06-04 09:51

賽為斯聲學基礎課-從認識聲級計到選型
一、概述
(一) 用途
聲級計是一種按照一定頻率計權和時間計權測量聲音聲壓級和聲級的儀器。它是聲學測量中最常用的儀器，能把工業噪聲、交通噪聲、環境噪聲和生活噪聲等，按人耳聽覺特性近似地測定其噪聲級的儀器。
聲級計可以應用于環境噪聲、機電產品噪聲、交通噪聲、建筑聲學和電聲學等測量。有些聲級計通過更換接受部分，還可以用來測量振動。聲級計外部聯接或內部設置倍頻程濾波器或1/3倍頻程濾波器，可以進行噪聲的頻譜分析。
隨著電子技術尤其是大規模集成電路和計算機技術的發展，聲級計中的頻率計權、檢波器和濾波電路都通過數字信號處理技術代替模擬電路來實現。這不僅使得電路更加簡化，動態范圍更寬，而且功能和穩定性也大大提高，尤其是可以實現實時頻譜分析，使聲級計的用途更加廣泛。
(二) 分類與特點
聲級計按功能來分：分為測量指數時間計權聲級的常規聲級計，測量時間平均聲級的積分平均聲級計，測量聲暴露的積分聲級計(以前稱為噪聲暴露計)。另外有的具有噪聲統計分析功能的稱為噪聲統計分析儀，具有頻譜分析功能的稱為頻譜分析儀，具有實時頻譜分析功能的稱為實時頻譜分析儀或實時信號分析儀，具有多路測量功能的多通道聲學分析儀。
按精度來分：根據最新國家標準GB/T 3785.1-2010(IEC 61672-1：2002)，聲級計分為1級和2級兩種，它們的性能具有相同的指標中心值，只是允許誤差2級比1級大。在參考條件下，1級聲級計的準確度±0.7dB。2 級聲級計的準確度±1.0 dB。(不考慮測量不確定度)。
常規聲級計特點
操作簡單、價格便宜，通常只顯示瞬時聲級和最大聲級。以前用電表顯示測量值，現在都是用數字顯示。通常不帶數據儲存和打印功能，用于一般噪聲測量。
積分平均聲級計和積分聲級計特點
積分平均聲級計是一種直接顯示某一測量時間內被測噪聲的時間平均聲級即等效連續聲級(Leq)的儀器，通常由聲級計及內置的單片計算器組成。單片機可以按照事先編制的程序對測量值進行運算、處理，再在顯示器上顯示。
積分平均聲級計通常具有較寬的動態范圍和自動量程調節功能，使量程的動態范圍擴大到80~100dB，在測量過程中無需人工調節量程。積分平均聲級計可以預置測量時間，例如為10s、1min、5min、10min、……1h、4h、8h等，當到達預置時間時，測量會自動中斷。
積分平均聲級計除顯示Leq外，還能顯示聲暴露級LAE和測量經歷時間。聲暴露級LAE是在1s期間保持恒定的聲級，它與實際變化的噪聲在此期間內具有相同的能量。聲暴露級用來評價單發噪聲事件，例如飛機飛越、轎車和卡車開過時的噪聲。知道了測量經歷時間和此時間內的等效連續聲級，就可以計算出聲暴露級。
積分平均聲級計還可以測出噪聲在空間分布不均勻的平均值，只要在需要測量的空間移動積分平均聲級計，就測量出隨地點變動的噪聲的空間平均值。積分平均聲級計主要用于環境噪聲的測量和工廠噪聲測量，尤其適宜作為環境噪聲超標排污收費使用。
積分聲級計又叫聲暴露計，其結構功能和積分平均聲級計類似，用于測量聲暴露E(單位為Pa2h，即帕平方小時)或噪聲劑量Dl(百分數)，主要用于評價噪聲對人耳的損傷影響，通常做成個人佩戴型式，稱之為個人聲暴露計或個人噪聲劑量計，適用于勞動衛生和噪聲職業病防治。
噪聲統計分析儀特點
噪聲統計分析儀是用來測量噪聲級的統計分布的積分聲級計，它同樣能測量并用數字顯示A聲級、等效連續聲級Leq，它還能測量并直接指示累計百分聲級LN，以及用數字或百分數顯示聲級的概率分布和累計分布，通常它還能進行24h監測。
噪聲頻譜分析儀特點
頻譜分析儀由聲級計和濾波器組成，用于進行頻譜分析。通常采用倍頻程濾波器或1/3倍頻程濾波器。這是兩種恒百分比帶寬的帶通濾波器，倍頻程濾波器的帶寬，即其上限頻率與下限頻率之比為21，1/3倍頻程濾波器的帶寬，即其上限頻率與下限頻率之比為21/3。濾波器的中心頻率、頻帶寬度和衰減特性等應滿足GB/T3241-2010(等同IEC 61260-1995)《倍頻程和分數倍頻程濾波器》標準的要求。
實時信號分析儀特點
實時信號分析儀是一種數字頻率分析儀，它采用FFT、數字濾波、檢波和平均技術代替模擬電路來進行噪聲的測量和頻譜分析。數字濾波器是一種數字運算規則，當模擬信號通過采樣及A/D轉換成數字信號后，進入數字計算機進行運算，使輸出信號變成經過濾波了的信號，也就是說，這種運算起了濾波器的作用。我們稱這種起濾波器作用的數字處理機為數字濾波器。
實時信號分析儀可同時測量A、C、Z計權聲壓級和頻帶聲壓級，時間計權F，S，I，Peak C可并行工作。不僅分析速度快，不僅能分析穩態信號，而且也能分析瞬態信號，立刻就可以在熒光屏上顯示出頻譜變化，并可將分析得到的數據輸出并記錄下來。有些實時分析儀還能作相關函數、相干函數、傳遞函數和聲強等分析，其功能也就更多。
環境噪聲自動監測系統特點
環境噪聲自動監測系統通常由全天候噪聲監測終端、傳輸線路(有線或無線)、中心站主控計算機等幾個部分組成。全天候噪聲監測終端由全天候傳聲器測試單元、信號計權放大、信號處理和控制單元、內存、接口及電源等部分組成完整終端。具有防雨、防風、防鳥停等功能，還應能自動校準。
它應能自動將數據傳輸到中心站，而不需通過人工采集或將儀器帶回中心站再將數據送入計算機。它應能多點聯網工作，因為噪聲測量往往是許多測點同時進行，它們的數據都要傳送到中心站，并自動生成各種形式的報告。
可以按照聲環境質量國家標準中定點測量方法，應用于1個或多個測點，進行長期噪聲定點監測，以獲得某一區域或整個城市的環境噪聲的平均水平和噪聲污染的時間分布。同樣也可用于測量道路交通噪聲、工廠廠界噪聲、施工場界噪聲和社會生活噪聲等。
(三) 產品國內外現狀
國內生產聲級計的廠家主要有：杭州愛華儀器、紅聲器材廠嘉興分廠、北京聲望等單位。國產聲級計大多是采用模擬技術數字顯示的中低檔產品為主，一般用途聲級計完全能滿足國內市場需要，杭州愛華儀器有限公司已研發生產多款采用數字技術的實時信號分析儀產品。高檔實驗室使用聲學儀器，尤其是計量標準幾乎被丹麥B&K公司為代表的外國公司壟斷，它們的測試傳聲器性能穩定，尤其是長時間穩定性，以及產品品種方面都有較大優勢。
(四) 技術發展趨勢
模擬聲級計將趨于淘汰；
數字化、小體積、多功能已經成為未來聲級計產品主要的發展趨勢；
數字信號處理技術和實時信號分析將會得到廣泛應用。
二、基本工作原理
聲級計主要由：測試傳聲器、前置放大器、衰減器、頻率計權和放大器、檢波器、A/D轉換、數據處理、采集存儲、顯示、過載檢測和顯示、欠量程檢測和指示、電源和接口等部分構成，為了分析頻譜，有的聲級計還內置有濾波器。一般模擬聲級計的原理框圖如圖1所示。

測試電容傳聲器將被測聲信號轉換成電信號，經前置放大器阻抗變換后，經過衰減和放大，再經頻率計權和濾波，再由檢波電路(通常為對數有效值檢波電路)將交流信號轉換為直流信號，經A/D轉換和數據處理電路，一方面由數字顯示器顯示聲壓級測量結果，另一方面將測量數據送給數據存儲電路。
數字化聲級計的原理方框圖如圖2所示：

數字化聲級計由數據處理單元控制、A/D變換器和軟件，將被測聲信號轉換成數字信號，再由數據處理單元進行數學運算，實現聲信號的測量和分析，可以進行頻域和時域實時信號分析。
對于多通道聲級計可以實現相關分析、聲強測量、聲功率測量、噪聲源定位、聲全息系統和建筑聲學測量。更換傳感器，還可以用于振動測量和分析。數據處理單元可以是高性能單片機(如ARM)，也可以是數字信號處理器(DSP)。
三、主要技術指標
由于數字聲級計代表聲級計的發展趨勢，以下敘述數字化聲級計的主要技術指標：

§
滿足標準的準確度等級
1級和2級。
頻率范圍
指被側聲信號所能達到的最高帶寬，既取決于測試傳聲器的頻率范圍，也取決于聲級計電路，以及采樣頻率。要求1級聲級計的頻率范圍至少為10Hz～16kHz，2級聲級計的頻率范圍至少為31.5Hz～8 kHz。
測量范圍
指聲級計能測量的最高聲壓級和最低聲壓級。
最高取樣速率
是單位時間內對模擬輸入信號的取樣次數，取樣速率常以每秒取樣的次數(次/s)或頻率(Hz)表示。
級線性范圍(動態范圍)
除模擬電路的動態范圍外，還取決于A/D轉換器的位數，如A/D轉換器是16位，級線性范圍約為70 dB；如A/D轉換器是24位，級線性范圍約為90 dB。
頻率計權
必須具有A計權，1級聲級計也應有C計權,還可以有Z計權(零計權)或Flat(平直)頻率響應。
時間計權
F、S、Peak。
濾波器準確度等級
分為0級、1級和2級。
濾波器帶寬
倍頻程和/或1/3倍頻程。
實時分析速度
一般指每秒鐘分析頻譜的速度。
測量功能
瞬時A聲級LA、最大聲級Lmax、峰值C聲級LCPeak、時間平均聲級(等效聲級)Leq、聲暴露級LAE、聲暴露E、噪聲劑量Dl、累計百分聲級LN、頻帶聲壓級、聲強級和聲功率級等。
四、選購注意事項

聲級計的選擇主要考慮它的功能，如單純測量噪聲A聲級，只需選擇常規聲級計。如需測量環境噪聲，由于環境噪聲起伏較大，常常需要測量時間平均聲級或叫等效聲級。另外還要按照測量的準確度要求選擇聲級計的等級。聲級計按選購時要考慮的因素逐一排序(如圖3所示)，就不難選擇最適合您測量要求的聲級計。
選購聲級計應考慮因素：
價格
選購聲級計首先需要考慮產品價格范圍。聲級計的價格取決于許多因素，包括功能、準確度等級、通道數、存儲容量等。一般情況下，相同指標的聲級計，國產比進口產品價格便宜很多。
功能
對于聲級計，測量功能是最重要的指標，它不但決定著聲級計的應用范圍，而且與聲級計的價格關系最大。根據被測信號的類型，對于穩態噪聲信號，聲級計的功能只要測量瞬時聲壓級;對于非穩態信號的測量，一般要求測量時間平均聲級或叫等效聲級;對于需要進行頻譜分析，則要選擇噪聲頻譜分析儀。
通道數
一般的聲級計只有1個通道，只測量1路聲壓級。有時需要測量多路聲壓級，就需要選用多通道，例如測量聲強級就需要2個通道，測量聲功率級需要更多通道，多通道聲級計大大擴展了聲級計的用途。
準確度等級
聲級計準確度等級：1級和2級
頻譜分析功能
為了對噪聲進行頻譜分析，需要選擇頻譜分析功能。在聲學測量中用得最多的是倍頻程和1/3倍頻程頻譜分析。以前頻譜分析使用模擬濾波器來實現，現在大都采用數字技術，通過數字濾波器進行實時頻譜分析。
測量范圍
聲級計的測量范圍有時要考慮它的測量上限，以便測量高聲壓級，如140dB，甚至到160dB以上；有時要考慮它的測量下限，以便測量低聲壓級，如20dB以下；通常聲級計的測量范圍在25dB至130dB范圍內。
接口
目前的聲級計一般都含有RS232、USB等接口，用于連接到微型打印機或計算機，用戶可以根據測試需要選擇。
校準
聲級計在使用過程中需要使用聲校準器進行聲校準，聲校準器往往作為聲級計的配套儀器，成為聲級計的組成部分。聲校準器有活塞發聲器和聲級校準器兩種，活塞發聲器產生250Hz、124dB聲壓級，準確度等級為1級或0級；聲級校準器產生1000Hz、94dB聲壓級，準確度等級為2級或1級。1級聲級計需使用1級或0級聲校準器校準，2級聲級計需使用2級或1級聲校準器校準。
是否取得制造計量器具許可證
聲級計、噪聲統計分析儀、噪聲劑量計和個人聲暴露計等噪聲測量儀器屬依法管理的計量器具，根據中華人民共和國計量法規定，制造這類計量器具應取得制造計量器具許可證，國內或本單位未生產過的計量器具新產品應當經形式評價和型式批準，并取得型式批準證書才能進行生產。
進口的計量器具，必須經省級以上人民政府計量行政部門檢定合格后，方可銷售。當這些計量器具用于安全防護、醫療衛生、環境監測方面時，實行強制檢定，使用單位應定期申請周期檢定，未按照規定申請檢定或檢定不合格的，不得使用。

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