声音测量

声音测量概述

进行精确的声音测量需要深入了解声音的定义及其性质(如速度或传播)所受影响的因素。此外,掌握声音测量的基本量,如声压级(SPL)或等效连续声级(LEQ),有助于进一步了解测量技术和它们的应用领域。

声音测量定义

物理学中的声音测量定义指的是对声波性质的量化,包括声波的频率(赫兹Hz)和振幅等级(分贝dB)。测量对于理解和控制各种领域中的声音至关重要,这些领域涵盖了从声学到音频工程、医学诊断乃至环境科学。

 

声音测量的作用是什么?
声音测量在众多领域中发挥着至关重要的作用,这些领域从声学、音频工程到环境科学和医学诊断。通过量化声音属性并考虑影响测量精度的因素,声音测量使得有效的噪声控制、环境噪声评估、保护人类听力以及推进科学研究和工程应用成为可能。

 

 

 

哪些因素会影响声音测量的准确性?
影响声音测量准确性的因素包括声音传播的介质(空气、水、固体)、风速、湿度、温度、气压以及振动。例如,风在户外声音水平测量中可能导致显著的测量误差。类似地,湿度和温度的变化会影响声音的传播方式,可能改变测量结果。振动则可能引入额外的噪声,特别是在测量低水平声音或需要高精度时尤为明显。现代声级计能够检测并考虑这些因素以提高测量的准确性。


风对户外声音水平测量,可引起重大测量误差。风吹过麦克风时产生的湍流会形成风噪声,可能导致实际噪声水平被高估。为减轻这一问题,户外测量时通常会在麦克风上使用防风罩。

湿度
湿度会影响声音的传播。一般而言,声音在潮湿空气中传播得比干燥空气中远,因为湿空气密度较低,对声波的阻力较小。湿度特别会影响麦克风膜片,因此专业的噪声监测器会使用内置加热系统来蒸发麦克风上的水分。

温度
声音的速度随温度变化。在空气中,声音在较高温度下比在较低温度下传播得更快。温度梯度可使声音折射,即弯曲,导致在特定位置感知的声级与实际声级不同。通常,噪声监测器可以在-10°C至+50°C的条件下工作。为了将温度范围扩展到-30°C和+60°C,噪声监测器会使用加热和冷却系统。

气压
在更高气压下,空气分子更紧密,可能会增加声速。更高的气压水平会增加声波的强度,使听众感觉到声音更大。这是因为气压越大,就有越多的空气分子振动并传播声波。气压的变化可使声波折射,或改变方向,这是由于气压变化伴随的空气密度变化。

振动
振动通过引入额外的噪声干扰声音测量,这一点在测量低水平声音或需要高精度时尤其成问题。现代声级计通过内置加速度计检测影响结果的振动,有助于排除受到振动影响的结果。

 

如何测量声速?
实验室中一种常见的声速测量方法是共振法。利用共振原理观察驻波模式,可以确定声波在管中的波长。由于频率是已知的(由函数发生器设定),就可以计算出声速(速度=频率*波长)。因此,共振管实验提供了一种实践性和动手操作的方法来研究声波的传播和测量声速。

 

声音测量量值

声音测量量值以符合人耳感知声音的方式来评价声音,这在噪声控制、声音设计及健康安全评估等情境下尤为重要。在声学领域,IEC 61672-1标准定义了用分贝量化和评估声音的指标:、

 

  • 时间平均声级或等效连续声级(LAeq)是指一段时间间隔内频率计权声压与参考值20微帕平方的比值的以10为底的对数。LEQ是声学中最常用的声学量值,因为它直接关联于声音能量。
  • 峰值声级(Lpeak)是指一段时间间隔内最大声压(正或负)的平方与参考值20微帕平方比值的以10为底的对数。
  • 声压级(Lp)是指声压的时间平均平方与参考值20微帕平方比值的以10为底的对数。声压级测量(SPL)采用A计权尺度(dBA)来测量人耳对不同声压级别的响应。
  • 时间计权声级(LAF或LAS)是指频率计权声压信号的时间计权平方的运行时间平均值与参考值20微帕平方比值的以10为底的对数。对于时间计权声级测量,符号包括LAF、LAS、LCF,以及A或C计权和快速(F)与慢速(S)时间计权。时间计权声级常用于噪声调查和声学背景测量。
  • 声暴露级(LAE)是指一段时间间隔内的A计权声暴露与声暴露参考值比值的以10为底的对数。LAE等于一段时间间隔内的LAeq加上10乘以该时间间隔长度与1秒参考时间比值的对数。因此,LAE常被定义为归一化到1秒的LAeq。LAE在环境噪声测量中使用,比如车辆通行(汽车、火车、飞机)的噪声评估。
  • 日常噪声暴露级(LEX)——在职业噪声情况下,工作日8小时内的LEQ测量结果被称为日常噪声暴露级(LEX)。测得的每日噪声暴露水平也可以表示为日限值的百分比,这种结果展示方式称为噪声剂量。

 


 

LEQ声能量

实际上,声音测量主要使用等效连续声级(LEQ)等声能量量作为分贝的主要指标。原因在于LEQ声能量与人耳听力损害风险之间存在直接关系。LEQ是一个随时间取平均值,提供了一个单一的分贝值,该值代表了在该时间段内经历的不同噪声水平的相同声能量总量。这就是为什么它常被用于人们随时间暴露于不同噪声水平的环境,比如工作场所或环境噪声污染研究中。


 

峰值声压级

峰值声测量在多个领域中应用,包括声学、音频工程和职业健康。在因高噪声水平存在听力损害风险的职业环境中,声级测量通常会用到峰值C(瞬时噪声压力的“C”-频率计权最大值)。峰值声压可能发生在极短的时间段内(例如几秒钟),并且可能不会被Leq反映出来,因为Leq是对较长时间间隔的平均值。这就是为什么峰值测量对于监控和管理工作场所的噪声暴露尤为重要,以此保护工人的听力健康。

 

分贝标度

声音测量采用分贝(dB)标度。分贝是一个对数单位,反映了声音压力级相对于参考值的比例。分贝的参考值设定为一般人耳能听到的最安静声音:20 µPa(微帕斯卡)。这被定为0 dB,标志着人类听力的阈值。根据技术和应用的不同,噪声测量可在高达130 dB(63.2456帕斯卡)的标度上进行,例如在环境噪声监测中。对于噪声工作场所的峰值声级测量,可高达140 dB(200帕斯卡),因为这个级别的噪声可能导致即时伤害,并有可能造成永久性听力损失。


 

 

声音测量技术

在实际操作中,声学家使用专门的声音测量技术以确保测量的准确性。选择合适的声音测量技术能确保对声音的声学特性及其影响因素进行有效控制。以下是一些最常见的测量技术:

 


 

声音压级测量

最基本的声音测量技术是使用分贝的SPL(声压级)评估进行噪声调查。此技术广泛应用于各类声学测量中,作为声学背景的初步评估。当随时间进行测量时,会使用等效声级LEQ。


 

 

剂量计测量

剂量计声学测量用于评估工作人员在整个工作日中的声音暴露。剂量计通常附着于衣物上,靠近耳朵入口处,以评估到达耳朵的噪声。


 

 

频率分析

频率分析是声功率、声强或响度等声学技术的重要组成部分。实践中,它通常在1/1或1/3倍频带或FFT中执行。此类分析的输出称为频率谱,它表示连续频率范围(窄频带)内的噪声。


 

 

STIPA测量

STIPA(公共广播系统的语音传输指数)声学测量评估房间声学和/或公共广播系统中影响语音清晰度的因素。


 

 

RT60测量

RT60(混响时间)声学测量用于确定房间所需的声学条件。房间的混响时间RT60由反射面的吸声特性和它们之间的距离决定。该测量的目的是获取建筑物房间声学质量的客观、定量指标。


 

 

声功率

声功率指的是以声的形式辐射能量的速率,单位为瓦特。它测量声源每单位时间发射的总声能量量。主要应用于制造业和工业领域,评估各种机器、工具、车辆甚至整个工厂发出的噪声。


 

 

声强

声强是指垂直于声波传播方向单位面积上声能量的流动速率,单位为瓦特每平方米。它是衡量特定点声强度的大小,并可用于确定声源的方向。除了声源方向测量外,声强还可用于计算声功率。


 

 

声响度

声响度是人类主观感受声音强度的指标。它是一种对应于人类感知的声学测量,与声压、声强或声功率等物理量不同。响度通常使用如Zwicker响度方法等算法进行测量,该方法与人类感知响度的相关性最高。响度广泛应用于多种场合,包括工作场所的噪声降低、嘈杂程度排名、烦恼度评估,以及专注于隐私和睡眠干扰的信号/警报声和动作声的烦恼度评估。


 

 

声音音调

声音音调测量评估的是与人类如何感知声音的音调成分相关的音质。音调测量识别并测量噪声频谱中的音调成分。


 

 

声音相位

当多个声源相互作用时,会测量声波的相位。相位测量用于识别干涉和建设性及破坏性波形。这对于音响工程、音乐会声学或环绕声音响系统设置尤为重要。

 

声音测量应用

精确的声音测量需要了解声音的声学特性及其影响因素。在实际操作中,声学专家将专门的声音测量技术应用于多种场景。以下是一些最常见的应用领域:


 

工作场所噪声

声音测量用于保护工作场所人员的听力。职业性噪声暴露常见于制造业、建筑业和交通运输业等众多行业中。实践中,工作场所的噪声测量主要采用LEQ(等效连续声级)、PEAK(峰值声级)和噪声剂量(即8小时标准化的LEQ)等量值。


 

 

环境噪声

环境声音测量旨在保护公众健康,免受社区噪声负面影响。在环境噪声测量中,主要应用LEQ来评估。


 

 

声学工程

声学工程涉及到在各种环境中设计、控制或减少噪声排放,旨在创造噪音更低、更适合人们的舒适环境。声学工程实例包括使用隔音屏障、吸声材料及听力防护装备。


 

 

声强应用

声强是声波能量按声波传播方向垂直通过单位面积的速率,以每平方米瓦特表示。它衡量特定点声音的强度,并能用来确定声源方向。除声源方向测量外,声强也可用于计算声功率。


 

 

物理学应用

声音测量在物理学教学与科研中是重要工具,有助于探索基本原理并为高级科学研究提供实用应用。声学测量在物理学中的常见应用包括波分析、多普勒效应、共振、声强测量、声音信号处理及FFT分析(快速傅里叶变换)。


 

 

科学应用

在材料科学与工程中,声学显微镜和声谱学是用于研究材料和结构特性的技术。声学显微镜利用高频声波成像和表征材料的微观结构,而声谱学则通过测量声波与材料的相互作用来分析化学成分和物理性质。



 

 

听力测定应用

听力测定是一种常用的听力测试,测量个体在不同频率下能听到的最小声音强度。通过向每个耳朵单独呈现一系列纯音(通常在250至8000赫兹之间),并要求受试者在听到声音时作出回应。测试结果绘制在听力图上,显示各个频率的听阈水平。纯音听力测定有助于诊断听力损失并估计损伤的程度和类型,如感音神经性或传导性听力损失。


 

 

心理声学应用

心理声学及听觉感知研究人类大脑如何解释和处理声音。音高、响度、音色和空间声音的感知都是听觉感知的基本方面。这些概念对于设计旨在优化听力受损人士听觉体验的助听器和音频系统至关重要。在心理声学中,使用“phones”和“sones”作为感知响度的单位。1方是纯音的响度级单位,其参考水平设定为1千赫兹下1分贝。宋是另一种感知响度单位,定义为40分贝下1千赫兹纯音的响度。这些单位有助于量化声音的物理强度与其感知响度之间的非线性关系,这对于音频工程、音乐制作及助听器设计等领域至关重要。

 

 

声音测量标 准

各种声音测量的应用、技术和影响准确性的因素都需要标准化。为了确保准确性和一致性,国际标准化组织(ISO)等机构建立了针对每项应用的声学测量标准。这些标准考虑了影响准确性的因素,并指定了测量量值、标度、仪器和方法。以下是常用的声学测量标准列表:

ISO(国际标准化组织)
ISO 是一个非政府性的国际组织,负责制定广泛的国际标准,涵盖声学等多个领域。关于声音测量,ISO 制定了多项标准,例如 ISO 1999 关注噪声引起的听力损失评估方法,而 ISO 9612 提供了职业噪声暴露评估及预测噪声所致听力损伤的指南。

IEC(国际电工委员会)
IEC 则主要负责电工技术领域(包括声音与音频技术)的标准制定。IEC 61672 即为一个例子,它规定了声级计的性能标准。

美国标准(ANSI 和 OSHA)
在美国,美国国家标准学会(ANSI)为包括声学在内的多个领域提供规范,如 ANSI S1.4 标准就规定了声级计的技术要求。此外,职业安全与健康管理局(OSHA)也有关于噪声的标准,特别是规定了工作场所允许的噪声暴露限值以保护员工听力。

欧盟指令
欧盟制定了关于不同环境(如工作、居住和休闲环境)噪声限制的指令。这些指令虽不是测量标准本身,但为必须遵循的声学控制提供了法律框架。具体如何测量噪声以符合这些指令的技术指南通常由相应的 ISO 和/或 IEC 标准给出。

专业标准
除了通用的声音测量标准外,还针对特殊应用制定了专门的标准。这使得在特定领域内可以进行有效的比较和评估,并设计和实施有效的噪声控制策略。

这些标准详细介绍了特定环境下声学评估的方法学和仪器要求。以下是一些常见的专业声音测量标准概览:

 

ISO 16283(建筑声学)

专门用于评估建筑物的隔声性能,包括房间间空气声隔声、楼板冲击声隔声和建筑外墙隔声,是建筑声学中确保空间满足特定隔声要求的基础。

IEC 60268(STIPA 方法)

规定了使用语音传输指数(STI)及其变体STIPA(公共广播系统的语音传输指数)测量语音清晰度的方法。在公共广播系统、紧急疏散系统和教室等需要清晰语音通信的环境中,这一测量至关重要。

ISO 1996(环境噪声)

用于描述、测量和评估环境噪声,旨在提供来自道路交通、铁路交通、航空交通、工业活动乃至娱乐活动等不同声源噪声的一致且准确的测量方法。此标准常用于环境影响评估、噪声控制法规和政策的制定中。

 

声音测量仪器

在声学领域中,声音测量涉及到使用专门仪器来测定声压级,主要工具包括声级计、噪声剂量计以及噪声监测站。选用哪种仪器取决于测量技术与应用场景。每项技术都要求配备专门的仪器特性及附件,以保证测量结果的准确性。根据具体应用需求和遵循的测量标准,声音测量方法多样。以下是三种主要的测量仪器:

 


 

声级计

普遍用于测量声压级的装置,既能记录瞬时声级,也能计算某段时间内的平均值和峰值。常用于如建筑声学评估,此时声级计会固定在三脚架上以确保测量的稳定性和精确性。


 

噪声剂量计

设计用于监测个人在一段时间内接收的噪声暴露量,这类设备可穿戴,特别适用于职业噪声评估,即工人在工作时段佩戴于肩部,以评估累计声音暴露,确保符合职业噪声暴露限制。


 

噪声监测站

这是一种复杂的系统,专为长期持续监测户外环境噪声而设,能测量来自交通、建筑工地、工业活动等噪声源的声响。这些监测站一般安装在离地约4米的高度,以全面捕获噪声环境特征,常见于城市和乡村地区。

 

必需的工具和配件

在专业声音测量中,一些额外的工具(如校准器)和配件(例如,麦克风)对于获得准确的结果至关重要。以下是最重要的声音测量配件:

 


 

麦克风和前置放大器

麦克风对于将声波转换为电信号至关重要。不同类型麦克风的灵敏度、指向性和频率响应各不相同,这使它们适用于不同种类的测量。前置放大器用于将这些信号放大到适合测量或录音的电平。确保这些设备正确校准和维护对于确保声音测量的准确性和可靠性至关重要。


 

 

声学校准器

声级计和麦克风需要定期验证和校准以保持其准确性。声学校准器是产生已知频率和幅度声音的设备,使用户能够确保其测量设备提供准确读数。使用适合特定设备和测量条件的校准器非常重要。


 

 

声源

声源指用于进行声学测量或模拟的发声装置。声学中常用的声源包括扬声器,它们可以以设定音量发出单音或噪声。由于扬声器能够产生范围广泛的频率和振幅,因此常被用作声学分析的多用途工具。更专业的声源,如十二面体扬声器,设计为向所有方向均匀发射声音。这些设备常用于室内声学中,以模拟真实环境中的声波传播方式。通过使用已知声源,声学家能够模拟不同的声学环境和条件,从而实现更精确和可控的测量。这些声源的已知特性为测量和分析房间或空间的声学特性提供了基准。

 

仪器特性

除环境因素外,仪器的性能特点,如测量范围和采样频率等,也会影响测量能力。以下这些仪器特性会对声音测量产生影响:


 

准确性

准确性指的是声音测量设备所测得的数据接近真实或实际值的程度。一台精准的1级声音测量设备提供的读数会非常接近其所测量声音的真实世界值。这包括声音的频率、振幅以及其他相关参数。此外,准确性还体现在设备在整个宽频范围内的表现,正如1级设备所指的较宽频率响应所示。在这种情况下,一个准确的设备不仅能在给定频率下精确测量声音,而且还能在整个广泛的声频范围内保持这种精确度。


 

声音振幅与采样频率

在声学中,声音振幅指的是声波偏离其平衡位置的最大偏移量或程度。它是衡量声音强度或响度的一个量度。换言之,它是波的幅度,对应于声音的音量或响度。较高的振幅听起来更响亮,而较低的振幅则对应较安静的声音。最大声音振幅,或峰值声音,是在特定时间段内声波的最大偏移点。

采样频率是指单位时间内对声音进行测量或采样的次数,通常以赫兹(Hz)为单位,1 Hz代表每秒一次采样。较高的采样频率能更准确地数字化原始声音。举例而言,专业仪器可以以高达48 kHz的采样频率记录声音测量,这意味着该仪表每秒采集并记录48,000个噪声样本。这样的高采样率确保了记录声音的精确和高质量再现。


 

频率与频率范围

在声学中,频率指的是单位时间内声波在其波形中回到起始位置的次数。这也可以理解为在给定时间内波完成的完整周期数。频率通常以赫兹(Hz)为单位,1 Hz代表每秒一个周期。在人耳听觉系统中,频率被感知为声音的音调;较高频率对应更高音调的声音,而较低频率对应更低音调的声音。

频率范围则是指一个系统能精确再现的最低和最高频率之间的跨度。对于人类来说,可听频率范围大约在20 Hz到20,000 Hz(20 kHz)之间。这一范围因个体差异可能有所不同,并且随年龄增长而下降。声音级计或音频录制设备也工作在特定的频率范围内,以确保声音捕捉和再现的准确性和质量。


 

计权滤波器(A、B、C、Z)

这些滤波器会修改声级计的频率响应,以反映人耳在不同频率下的不同敏感度。A-计权滤波器是最常用于声音测量的滤波器,因为它准确描绘了声音对人耳的响度感受。B-计权滤波器较少使用,C-计权滤波器用于测量非常高声级的情况,如建筑工地。而Z-计权滤波器测量未计权的声级,当声音的频率内容未知时使用。


 

积分方法(指数、线性)

决定声级计如何随时间积分测量的声级以产生一个代表性值。指数积分利用时间计权强调最近的声级,而线性积分则平等对待所有声级。根据不同类型的声级测量,不同的积分方法可能更为适用。



 

时间计权(快速、慢速、脉冲)

用于调整声级计对不同类型声音和噪声源的响应。快速时间计权强调声音的峰值水平,而慢速时间计权则对较长时段的水平进行平均,提供更全面的声级表示。脉冲时间计权则捕捉短时突发声音,如枪声或爆炸声。需要注意的是,Leq声能是以线性方式按照IEC 61672-1测量的(不使用快速或慢速计权)。

 

为何声音测量采用快速和慢速?

声音测量采用快速和慢速是因为历史上,在早期使用模拟声级计时,若声音级别波动过快,模拟显示指示器移动速度过快,导致无法获取有意义的读数。为此,两种检测器响应特性被标准化:“F”(快速)和“S”(慢速)。现代数字显示器已克服了模拟仪表波动的问题,提供了非常精确的声级评估。尽管如此,快速和慢速在数字仪表中仍然被使用,主要是为了保持与历史的一致性。

 

声音测量仪器如何最小化外部因素的影响?

为了确保声音测量的准确性,声级计特别设计来最小化外部因素的影响,并补偿它们在声场中造成的干扰。专业仪器具有三角形顶部形状,以最小化仪器自身机体造成的声反射贡献。其次,使用泡沫防风罩来防护灰尘或湿气,并减弱风效应对测量的影响。特别是在户外声音监测中,防风罩更大,以便能减弱更强的风力影响。

 

 

 

声音测量:关键要点汇总

 

  1. 声音测量的重要性:在声学、音频工程和环境科学等领域,声音测量对于理解和控制声音至关重要。
  2. 量化声音特性:通过赫兹(Hz)和分贝(dB)等单位,对声音波的特性(如频率和振幅)进行量化。
  3. 影响分析的因素:风、湿度、温度、气压和振动等因素都会影响声音的分析。
  4. 风对户外测量的影响及缓解措施:风可能导致户外声级测量误差,使用防风罩可以减轻这一问题。
  5. 湿度的作用:湿度影响声音传播,声波在潮湿空气中传播得比干燥空气中远。专业噪声监测仪配备加热系统以蒸发麦克风上的水分。
  6. 温度的影响:温度影响声速,温度升高会使声速加快。噪声监测仪可在-10°C至+50°C的温度范围内工作,加热/冷却系统可扩展这一范围。
  7. 气压效应:气压影响声速和强度,高压增强声速和响度,气压变化可使声波折射。
  8. 振动干扰及对策:振动尤其是对低水平声音的分析造成干扰,现代声级计内置加速度计以检测并排除受振动影响的结果。
  9. 共振法测量声速:在实验室中,通过观察驻波模式的共振法是一种常见的声速测量技术。
  10. 声音测量量:包括时间平均声级(LAeq)、峰值声级(Lpeak)、声压级(SPL或Lp)、时间加权声级(LAF或LAS)和声暴露级(LAE)。
  11. 常用量级:LAeq广泛应用于声学中,代表随时间平均的声能,而Lpeak则测量最大声压。
  12. 其他测量技术:声强、声功率、声响度和声波相位等是不同场景中使用的额外测量技术。
  13. 应用范围:涵盖工作场所噪音评估、环境噪音监测、声音工程、物理学研究、听力测试和心理声学等多个领域。
  14. 国际标准:ISO、IEC、ANSI和OSHA等国际组织为噪音测量制定标准,确保跨应用的准确性和一致性。
  15. 测量仪器:包括声级计、噪声剂量计和户外噪声监测站。
  16. 辅助工具与配件:如麦克风、前置放大器、校准器和声源等,用于提高声音分析的准确性。
  17. 仪器特性:准确性、频率范围、加权滤波器、积分方法、时间加权和减少失真等特性共同促进可靠的声音测量。

 

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