第11章

聲學(xué)測(cè)量目錄概述聲測(cè)量傳感器與儀器聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器11.111.211.311.1概述

聲音是廣泛存在于人們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N客觀物理現(xiàn)象。人們通?？梢月?tīng)到的聲主要有語(yǔ)聲、樂(lè)聲和環(huán)境聲等,如人們說(shuō)話的聲音、樂(lè)器演奏的聲音、小河的流水聲和機(jī)器的轟鳴聲等。

聲學(xué)是研究聲的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的科學(xué)。聲學(xué)測(cè)量是對(duì)聲學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行客觀度量的一項(xiàng)專門技術(shù),它既是聲學(xué)學(xué)科的重要組成部分,又是聲學(xué)理論和聲學(xué)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的基礎(chǔ)。

從聲學(xué)測(cè)量信號(hào)中提取出的多種聲學(xué)參量,可以滿足各類聲學(xué)工程的需要,所以聲學(xué)測(cè)量對(duì)于低噪聲機(jī)器和設(shè)備的開發(fā)、機(jī)械故障診斷、水下目標(biāo)定位、聲音記錄與復(fù)現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)診斷及環(huán)境噪聲的治理等都是非常重要的。傳統(tǒng)的聲學(xué)測(cè)量傳感器和儀器有測(cè)量麥克風(fēng)、聲級(jí)計(jì)等,如今一些新的測(cè)量?jī)x器不斷出現(xiàn),如聲強(qiáng)探頭、聲學(xué)照相機(jī)、聲學(xué)顯微鏡和聲學(xué)刷等。

聲與振動(dòng)是緊密相連的,如說(shuō)話的聲音來(lái)源于聲帶的振動(dòng),弦樂(lè)器發(fā)出的樂(lè)聲來(lái)源于琴弦的振動(dòng),機(jī)械噪聲來(lái)源于機(jī)器零部件的振動(dòng)?？砂l(fā)聲的物體都稱為聲源。聲源既可以是固體,也可以是液體和氣體。

聲源誘發(fā)的振動(dòng)在介質(zhì)中傳播,形成聲波。若聲波通過(guò)空氣傳入人耳,則引起耳內(nèi)鼓膜的振動(dòng),刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng),就產(chǎn)生聲音的感覺(jué)。通常把頻率范圍在20~20000Hz之間能引起人類聽(tīng)覺(jué)的聲音稱為音頻聲;頻率高于20000Hz的聲音稱為超聲;低于20Hz的聲音稱為次聲。超聲及次聲一般不能引起人聽(tīng)覺(jué)器官的感覺(jué),但可借助一些儀器設(shè)備進(jìn)行觀察和測(cè)量。

聲波不僅可以在空氣中傳播,也可以在固體和液體中傳播,即一切彈性介質(zhì)都可以傳播聲波。聲波的傳播與介質(zhì)本身的彈性及慣性有關(guān)。由于聲波的傳播總是與某種介質(zhì)相聯(lián)系的,因此聲波不能在真空中傳播。11.1概述11.1.1聲的產(chǎn)生和傳播11.1概述圖11-1聲波傳播過(guò)程示意圖

圖11-1為聲波在介質(zhì)中傳播過(guò)程的示意圖。把發(fā)射器周圍介質(zhì)分成無(wú)窮多個(gè)薄片。當(dāng)發(fā)射器的發(fā)射面(振動(dòng)表面)振動(dòng)時(shí),貼近它的介質(zhì)薄片產(chǎn)生振動(dòng),并受到壓縮。由于介質(zhì)具有彈性,所以壓縮后表現(xiàn)出彈性力,此力的作用使離發(fā)射面較遠(yuǎn)處的介質(zhì)薄片依次振動(dòng)。由于介質(zhì)具有質(zhì)量,因而具有慣性,這就使得各介質(zhì)薄片的振動(dòng)依次落后一定時(shí)間。通過(guò)介質(zhì)的彈性和慣性的作用,介質(zhì)中局部的振動(dòng)或變形就傳遞到介質(zhì)的另一點(diǎn)。介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程,即聲波的傳播過(guò)程。

當(dāng)聲波在氣體和液體中傳播時(shí),形成壓縮和伸張交替運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,所以聲波在流體介質(zhì)中表現(xiàn)為壓縮波的傳播,即縱波。在固體中由于存在切應(yīng)力,所以除有縱波外還有橫波。在介質(zhì)中,聲波所及區(qū)域統(tǒng)稱為聲場(chǎng)。11.1概述11.1.2工程聲學(xué)測(cè)量的有關(guān)概念1.聲音的波長(zhǎng)、頻率和聲速

聲源完成一周的振動(dòng)過(guò)程聲波所傳播的距離,或者是具有相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的兩相鄰空氣層之間的距離,稱為聲波的波長(zhǎng)λ(單位為m)。

聲音的頻率f(單位為Hz)是聲源每秒振動(dòng)的次數(shù)。如果聲源每秒振動(dòng)80次,那么,這一聲源或所產(chǎn)生聲波的頻率為80Hz;如果每秒振動(dòng)250次,則頻率為250Hz。

介質(zhì)中聲波傳播過(guò)程有時(shí)間滯后,即聲波在介質(zhì)中傳播有一定速度,稱為聲波的傳播速度,簡(jiǎn)稱為聲速c(單位為m/s)。

聲速與溫度有關(guān),隨大氣溫度的升高而增大。聲波在空氣中的傳播速度c與溫度t(單位為℃)的關(guān)系為c=331.4+0.6t(11-1)0℃時(shí)的聲速是331.4m/s。在一般室溫23℃時(shí),根據(jù)式(11-1)可算出聲速為345m/s。在做一般計(jì)算時(shí),如果沒(méi)有特別指明空氣溫度,則常取室溫時(shí)的聲速345m/s。

聲速除與溫度有關(guān)外,還隨介質(zhì)的變化而變化,其傳播速度差別很大。如在鋼中為6300m/s,在20℃的水中為1481m/s。11.1概述

頻率f是每秒振動(dòng)的次數(shù),而波長(zhǎng)λ是每振動(dòng)一次聲波傳播的距離,那么fλ應(yīng)該是聲波每秒傳播的距離,即聲速c的表達(dá)式為c=fλ(11-2)

可見(jiàn)頻率f與波長(zhǎng)λ成反比關(guān)系,即頻率越高波長(zhǎng)越短。頻率的倒數(shù)T=1/f稱為振動(dòng)的周期。

按照一般常溫時(shí)的聲速c=345m/s計(jì)算,從式(11-2)中,可以很容易地得出100Hz和8000Hz聲音的波長(zhǎng)依次為波長(zhǎng)69cm的聲音頻率則為11.1概述

正常人一般能聽(tīng)到頻率20~20000Hz的聲音,最低到最高相差1000倍,適應(yīng)范圍很廣。但是許多材料對(duì)聲波的有效吸收和隔聲等頻率特性適應(yīng)較窄,因此聲音的這一廣泛的頻率變化范圍,也就給人們對(duì)噪聲的控制帶來(lái)很大麻煩。

但一般聲音,都是由許多頻率組成的復(fù)合聲。聲音不同,其組成頻率和能量分布也不相同。正因如此,才能區(qū)別各種各樣的聲音。聲音的這些組成頻率和能量分布的關(guān)系,稱為這一聲音的頻譜。不同的聲音具有不同的頻譜。11.1概述2.聲壓和聲壓級(jí)

在聲波作用下,某一點(diǎn)上氣壓和平均氣壓的瞬時(shí)差稱為聲壓。聲壓的大小反映了聲波的強(qiáng)弱。聲壓的測(cè)量單位是帕斯卡(Pa),最為常用的是μPa。

均方聲壓定義為純音聲波為11.1概述對(duì)于純音聲波可以給出任一點(diǎn)上的均方聲壓為

在典型的測(cè)量中,聲壓為一段時(shí)間內(nèi)的平均值,該段時(shí)間內(nèi)應(yīng)盡量多地包含人們感興趣的頻率成分的周期數(shù)量,這樣其他不感興趣的聲音就不會(huì)對(duì)該方均根值產(chǎn)生很大的影響。11.1概述

一個(gè)聽(tīng)覺(jué)正常的人,能夠忍受的最大聲壓與能夠辨別的最小聲壓之比,約為87∶1(見(jiàn)圖11-2)。由于其數(shù)量范圍很大,通常采用分貝數(shù)來(lái)度量聲音和噪聲。圖11-2典型聲壓和聲壓源11.1概述分貝是功率比的量度,其定義式為又因?yàn)楣β收扔诼晧旱亩畏?式(11-7)可以寫為

分貝表示的是一個(gè)相對(duì)量。

實(shí)際上采用敏銳聽(tīng)力閾值(p0=0.00002Pa=20μPa)作為聲壓級(jí)的參考聲壓,因此聲壓級(jí)表示為11.1概述例如,可以求得方均根聲壓1Pa的聲壓級(jí)為

當(dāng)兩個(gè)純音同一時(shí)間發(fā)生時(shí),其合成效應(yīng)取決于接收器處的聲壓幅值、頻率和相位。考慮空間某點(diǎn)有如下的兩個(gè)聲波p1=P1cos(ω1t+φ1)(11-10)p2=P2cos(ω2t+φ2)(11-10a)

式中

p——瞬時(shí)聲壓;

P——聲壓幅值;

ω=2πf——圓頻率;

φ——相位角。

由這兩個(gè)波產(chǎn)生的瞬時(shí)聲壓是這兩個(gè)瞬時(shí)聲壓之和。合成純音的均方聲壓為11.1概述將式(11-10)和式(11-10a)代入式(11-10b)并積分,得式中,平均時(shí)間T滿足以下關(guān)系,即

其中,fmin是最低頻率。

若要確定兩個(gè)聲壓幅值相等但頻率不等的純音相加的結(jié)果,應(yīng)該使用式(11-10c)中的第一個(gè)表達(dá)式。合成聲壓級(jí)SPLCOMB與單個(gè)純音的聲壓級(jí)之差為11.1概述

人們經(jīng)歷的大多數(shù)工業(yè)和社區(qū)噪聲都是無(wú)關(guān)聯(lián)聲源的組合。它們的振幅和頻率可能都是隨機(jī)變化的。對(duì)于不相關(guān)的噪聲源,可應(yīng)用式(11-10c)中的第一個(gè)表達(dá)式。由此可知,兩個(gè)相同的聲音合成的總聲壓級(jí)比一個(gè)聲壓大3dB。進(jìn)而可以推出在一點(diǎn)n個(gè)相同聲壓級(jí)合成的總聲壓級(jí)為

對(duì)于兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的聲壓級(jí),為了簡(jiǎn)化,可以利用圖11-3計(jì)算。圖中,橫坐標(biāo)為兩個(gè)聲壓級(jí)之差Lp1-Lp2,Lp1是兩個(gè)聲壓級(jí)中較大的一個(gè),Lp2是較小的一個(gè);縱坐標(biāo)附加值ΔL是兩聲壓級(jí)合成的總聲壓級(jí)增加的數(shù)值。因此總聲壓級(jí)為

如有兩個(gè)聲音在某點(diǎn)的聲壓級(jí)為95dB和98dB,求出這一點(diǎn)的兩個(gè)聲音合成的總聲壓級(jí)。11.1概述

根據(jù)上述要求,先得出兩聲壓級(jí)分貝的差值,Lp1-Lp2=(98-95)dB=3dB,然后在圖11-3中的橫坐標(biāo)上3dB處沿垂直線向上找到交于曲線的一點(diǎn),再?gòu)脑擖c(diǎn)作水平線交于縱坐標(biāo)上一點(diǎn),該點(diǎn)的數(shù)值為1.8,即ΔL=1.8dB,將此值加在最大的一個(gè)聲壓級(jí)上,即得總聲壓級(jí)圖11-3從兩個(gè)噪聲級(jí)查總聲壓級(jí)的附加值SPLCOMB=(98+1.8)dB=99.8dB

對(duì)由兩個(gè)以上聲壓級(jí)合成的總聲壓級(jí),可以利用圖11-3將其中的兩個(gè)先合成,再將此總聲壓級(jí)與第三個(gè)聲壓級(jí)合成。依此類推,就可得到任何一個(gè)聲壓級(jí)的合成。11.1概述3.聲功率、聲強(qiáng)和聲功率級(jí)

聲源的聲功率指在單位時(shí)間內(nèi)聲源向空間輻射的總能量,常用單位是瓦特(W)。當(dāng)聲音從一個(gè)理想點(diǎn)源向外傳播時(shí),它將不斷地?cái)U(kuò)展到越來(lái)越大的空間。

在任何位置上的聲強(qiáng)用“瓦特每單位面積”來(lái)表示。對(duì)于一個(gè)平面波或球面波,在傳播方向上的聲強(qiáng)I(見(jiàn)圖11-4)為聲功率級(jí)(LW)用分貝表示,給定參考聲壓10-12W。因此聲功率級(jí)定義為L(zhǎng)W=10lg(W/10-12)dB(11-13)圖11-4球面波的聲功率和聲強(qiáng)之間的關(guān)系4.響度和響度級(jí)11.1概述

以上所講的是聲音的一些客觀物理量以及客觀的量度,而人耳對(duì)聲音的主觀感覺(jué)與客觀量度是不一樣的。對(duì)于不同頻率的聲音,用儀器測(cè)出的聲壓級(jí)分貝數(shù)即便一樣,但聽(tīng)起來(lái)卻不一樣,頻率高的聲音感覺(jué)比頻率低的聲音響,隨頻率變化而有很大的差異,而且這一差異還與聲壓級(jí)有關(guān)。圖11-5是以1000Hz的聲音為標(biāo)準(zhǔn),將其他頻率的聲音與之比較試聽(tīng)。經(jīng)過(guò)對(duì)大量聽(tīng)覺(jué)正常的人試驗(yàn)得出的一系列等響曲線,在同一曲線上各頻率聲音聽(tīng)起來(lái)感覺(jué)同樣響,但各頻率聲音的聲壓級(jí)卻各不相同。圖11-5自由場(chǎng)等響曲線

例如,要使人耳對(duì)50Hz的聲音聽(tīng)起來(lái)和200Hz、30dB的聲音同樣響,就必須是同頻率的近60dB的聲音;而對(duì)于高到2000~6000Hz的聲音,則不需要30dB就能和800Hz、30dB的聲音一樣響。所以說(shuō)人耳的靈敏度對(duì)低頻率差,對(duì)800~6000Hz之間的聲音最為靈敏。但還必須注意另一特性,即隨著聲壓級(jí)的升高,這一差別逐漸減小。

例如,當(dāng)1000Hz的聲音高到100dB,200Hz的聲音要98dB,50Hz聲音要110dB,就能感覺(jué)到這三者一樣響了。11.1概述11.1概述

對(duì)于各等響曲線,習(xí)慣上以1000Hz的聲音的分貝數(shù)n作為級(jí)別的序號(hào),稱其為n“phon”(方),各曲線相應(yīng)稱之為響度級(jí)。phon就是響度級(jí)的單位,所以響度級(jí)的單位phon數(shù)對(duì)于1000Hz的聲音來(lái)說(shuō)就是分貝數(shù),而對(duì)于其他各頻率卻不是原來(lái)聲壓級(jí)的分貝數(shù)。例如,800Hz的聲音50dB為50phon,4000Hz的聲音只有43dB便達(dá)到50phon了,從這里得到了客觀量的聲壓級(jí)與主觀量的響度級(jí)phon的關(guān)系,可以看出這兩者有很大的差別。

人類的聽(tīng)覺(jué)是很復(fù)雜的,具有多種屬性,其中包括區(qū)分聲調(diào)高低、聲音強(qiáng)弱兩種屬性。聽(tīng)覺(jué)判斷聲音的強(qiáng)弱用響度來(lái)表示。響度的單位為sone(宋)。當(dāng)頻率為1000Hz,聲壓級(jí)比聽(tīng)閾聲壓級(jí)大40dB的純音的響度定義為1sone。同時(shí)還規(guī)定,當(dāng)聲壓級(jí)每升高10dB,響度隨之增加一倍,即聲壓級(jí)40dB,響度為1sone;聲壓級(jí)50dB,響度為2sone;聲壓級(jí)60dB,響度為3sone等等。11.1概述

以sone為單位的響度和以phon為單位的響度級(jí)都是人們對(duì)純音的主觀反應(yīng),兩者之間的關(guān)系為L(zhǎng)N=40+10log2N(11-14)

式中LN——響度級(jí)(phon);N——響度(sone)。

這一關(guān)系式已繪成圖11-6。圖11-6響度級(jí)與響度的關(guān)系曲線11.2聲測(cè)量傳感器與儀器11.2.1麥克風(fēng)

大多數(shù)麥克風(fēng)包括一個(gè)作為初級(jí)傳感器的薄膜片,該膜片在與其相接觸的空氣作用下而振動(dòng)。利用二次傳感器將膜片的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。

根據(jù)二次傳感器的不同將普通麥克風(fēng)分類如下:1.電容器式麥克風(fēng)

電容器式麥克風(fēng)是聲測(cè)量中最常用的一種。其中的膜片作為空氣介質(zhì)電容器的一個(gè)極板(見(jiàn)圖11-7)。圖11-7電容器式麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖11.2聲測(cè)量傳感器與儀器

由于聲壓的沖擊,導(dǎo)致膜片振動(dòng),而后轉(zhuǎn)變成電壓輸出,在相當(dāng)寬廣的頻率范圍內(nèi),電容器式麥克風(fēng)具有平坦的幅頻特性和近于0°的相頻特性。

駐極體傳聲器是電容器式麥克風(fēng)的一種特殊形式。普通電容器式麥克風(fēng)需要一個(gè)外部極化電壓,但駐極體式是自極化的。其膜片由一個(gè)塑料薄片組成,該薄片的一面具有導(dǎo)電涂層,該涂層作為電容器的一個(gè)極板。11.2聲測(cè)量傳感器與儀器2.壓電晶體式麥克風(fēng)

壓電晶體式麥克風(fēng)使用壓電類元件,一般通過(guò)彎曲作用來(lái)激活。為了得到最高的靈敏度,將一個(gè)懸臂梁式元件機(jī)械地連接到膜片上。其他結(jié)構(gòu)采用膜片和元件直接接觸,或通過(guò)粘接(元件彎曲放置),或用直接支承(元件受壓)。壓電晶體式麥克風(fēng)廣泛用于要求精確的聲音測(cè)量中。11.2聲測(cè)量傳感器與儀器3.電動(dòng)式麥克風(fēng)

電動(dòng)式麥克風(fēng)應(yīng)用的是磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的原理。該磁場(chǎng)一般由一個(gè)永磁鐵提供,從而將該傳感器列為可變磁阻范疇。隨著膜片移動(dòng),所感應(yīng)的電壓正比于線圈相對(duì)于磁場(chǎng)的速度,這樣就提供了一個(gè)模擬電壓信號(hào)輸出。電動(dòng)式麥克風(fēng)有動(dòng)圈式(見(jiàn)圖11-8)和帶式兩種不同結(jié)構(gòu)。后一種類型的感應(yīng)部件由一個(gè)形狀為金屬帶的單一元件組成,該元件擔(dān)當(dāng)“線圈”和膜片的雙重作用。圖11-8電動(dòng)式麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖11.2聲測(cè)量傳感器與儀器4.炭精式麥克風(fēng)

炭精式麥克風(fēng)的二次傳感器由一小盒炭粒組成,該炭粒的電阻隨著膜片所感應(yīng)到的聲壓而變化。其有限的高頻和低頻響應(yīng)使之不能用于嚴(yán)格的聲音測(cè)量。11.2聲測(cè)量傳感器與儀器11.2.2聲級(jí)計(jì)

聲級(jí)計(jì)是噪聲測(cè)量中最常用的便攜式測(cè)量?jī)x器。該測(cè)量系統(tǒng)由大量的互連部件所組成,圖11-9a所示即為一個(gè)典型的布置。聲壓pi由麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電壓u0,麥克風(fēng)通常用毛細(xì)管連接在薄膜的兩側(cè)形成的“慢泄漏”來(lái)補(bǔ)償平均壓力(大氣壓)和避免薄膜沖裂。對(duì)于麥克風(fēng),每時(shí)每刻都必須響應(yīng)的大氣壓力變化要比聲壓波動(dòng)大得多。這種泄漏的存在,使得麥克風(fēng)不會(huì)響應(yīng)常壓或緩慢變化的壓力。由于許多測(cè)量包含了人類對(duì)聲音的響應(yīng),與此相應(yīng)麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)僅需要達(dá)到10~20Hz,而不是0。11.2聲測(cè)量傳感器與儀器圖11-9聲級(jí)計(jì)原理框圖11.2聲測(cè)量傳感器與儀器

麥克風(fēng)的輸出電壓一般非常小,且阻抗很高,因此需要連接高輸入阻抗和高增益的放大器,這可能是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的交流放大器,因?yàn)樗南孪揞l率只需達(dá)到10~20Hz。通常將場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入放大器裝入麥克風(fēng)的殼體作為電容器式麥克風(fēng)的第一級(jí)放大器。在高阻抗末端,取消電纜連接,降低電容漂移的影響。

第一級(jí)放大器后面連接著計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。它們是電子濾波器,其頻率響應(yīng)與平均人耳的頻率響應(yīng)相近似。由于聲級(jí)計(jì)的主要應(yīng)用不是壓力的精確測(cè)量,而是確定人類所感覺(jué)的響度,儀器平直的頻率響應(yīng)不是實(shí)際所期望的。圖10-9a所示的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)三種不同響度級(jí)人耳響應(yīng)相近似而設(shè)計(jì)的電子濾波器,因此儀器的讀數(shù)將反映所感覺(jué)的響度。通常為三種濾波器,它們是A(近似40phon耳響應(yīng))、B(70phon)和C(100phon)。11.2聲測(cè)量傳感器與儀器

計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)輸出被進(jìn)一步放大,且可將此信號(hào)接入示波器(如果希望觀察波形)或接入頻譜分析儀(如果需要確定聲音的頻率內(nèi)容)。如果僅期望得到全部聲音大小,就必須得出u3的方均根值。價(jià)格高昂的方均根真值電壓計(jì)僅適用于高級(jí)的聲級(jí)計(jì)。更適宜的是由濾波和整流所確定的u3的平均值,而后將儀表的刻度標(biāo)為方均根值來(lái)讀。由于正弦波的平均值和方均根值具有精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此可用來(lái)精確描述純正弦波。濾波由兩個(gè)簡(jiǎn)單的低通RC濾波器和低通儀表動(dòng)態(tài)完成。有些聲級(jí)計(jì)由快-慢響應(yīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)變換濾波。開關(guān)“慢”則指針位置穩(wěn)定、容易讀數(shù)、濾除了信號(hào)的短時(shí)變化。如果對(duì)這些短時(shí)變化感興趣,開關(guān)旋至“快”速響應(yīng)位置,就可以在儀表上觀察。儀表上讀出的是u3的方均根值,其標(biāo)度為dB值。11.2聲測(cè)量傳感器與儀器

根據(jù)測(cè)量精度和用途,聲級(jí)計(jì)可分為:普通聲級(jí)計(jì),如國(guó)產(chǎn)SJ-1型,測(cè)量誤差不大于±3dB;精密聲級(jí)計(jì),如國(guó)產(chǎn)ND1型、ND2型,丹麥B&K公司的2250型聲級(jí)計(jì),測(cè)量誤差小于±1dB;脈沖聲級(jí)計(jì),供測(cè)量沖擊等瞬態(tài)聲音用。

由于A網(wǎng)絡(luò)使聲學(xué)測(cè)量?jī)x器對(duì)高頻反應(yīng)靈敏,對(duì)低頻反應(yīng)遲鈍,與人耳對(duì)聲音的感覺(jué)較為接近,所以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦使用A聲級(jí)測(cè)量與評(píng)價(jià)噪聲(ISOR495,1966),國(guó)際電聲學(xué)會(huì)也規(guī)定凡測(cè)量對(duì)人有害的噪聲,一般使用A聲級(jí)。11.2聲測(cè)量傳感器與儀器

利用A、B、C三種聲級(jí)的讀數(shù)和圖11-10所示的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線可以粗略估計(jì)噪聲的頻率特性。圖11-10計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性11.2聲測(cè)量傳感器與儀器11.2.3聲強(qiáng)測(cè)量

當(dāng)一個(gè)空氣微粒偏離其平衡位置時(shí),就有一個(gè)壓力的臨時(shí)增加。壓力增加表現(xiàn)為兩種方式:使微?；謴?fù)其原始位置,將擾動(dòng)傳遞給下一個(gè)微粒。壓力增加和降低的周期像聲波一樣傳播。在傳播過(guò)程中有兩個(gè)重要參數(shù):空氣微粒的壓力和速度圍繞固定位置振蕩。聲強(qiáng)是壓力和微粒速度的乘積,即

在一個(gè)主動(dòng)場(chǎng)中,壓力和速度同時(shí)變化,并且壓力和微粒速度是同相的。只有在這種情況下,強(qiáng)度的時(shí)間平均值才不等于零。聲強(qiáng)可以定義為11.2聲測(cè)量傳感器與儀器某一點(diǎn)的空氣微粒速度可以根據(jù)該點(diǎn)的壓力梯度表示為

聲強(qiáng)用雙麥克風(fēng)方法測(cè)定。這兩個(gè)麥克風(fēng)相對(duì)放置,并用一個(gè)隔離器隔開距離Δr,如圖11-11a所示。圖11-11b示出聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)的方向特性。需要注意的是,如果角度θ=90°,則聲強(qiáng)分量是零,因?yàn)楸粶y(cè)的壓力信號(hào)間沒(méi)有差別。這一特征使這種測(cè)量在定位復(fù)雜聲場(chǎng)中的噪聲源時(shí)非常有用。11.2聲測(cè)量傳感器與儀器

聲強(qiáng)分析系統(tǒng)由一個(gè)雙麥克風(fēng)探測(cè)系統(tǒng)和一個(gè)分析器組成。麥克風(fēng)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)壓力pA和pB,而分析器進(jìn)行集成以得出聲強(qiáng)。典型的商用系統(tǒng)是丹麥B&K公司的3360型聲強(qiáng)分析系統(tǒng)。圖11-11聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器11.3.1概述

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AcousticEmission,AE)。聲發(fā)射是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象,大多數(shù)材料變形、斷裂或摩擦?xí)r都有聲發(fā)射發(fā)生,但許多材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很弱,人耳不能直接聽(tīng)見(jiàn),需要借助靈敏的電子儀器才能檢測(cè)出來(lái)。用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)的開始,是以20世紀(jì)50年代初愷撒(Kaiser)在德國(guó)所做的研究工作為標(biāo)志的。他觀察到銅、鋅、鋁、鉛、錫、黃銅、鑄鐵和鋼等金屬和合金在形變過(guò)程中都有聲發(fā)射現(xiàn)象。他最有意義的發(fā)現(xiàn)是材料形變聲發(fā)射的不可逆效應(yīng),即“材料被重新加載期間,在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)”?，F(xiàn)在人們將材料的這種不可逆現(xiàn)象稱為“Kaiser效應(yīng)”。Kaiser同時(shí)提出了連續(xù)型和突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)的概念。11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器

如圖11-12所示,聲發(fā)射信號(hào)的頻率達(dá)到MHz級(jí),屬于超聲波范圍(20kHz以上)。在初期研究的巖體測(cè)量中,采用了幾千赫茲頻率范圍的加速度計(jì),隨著金屬材料用途的擴(kuò)大,頻率范圍隨之?dāng)U大到兆赫茲的頻帶,測(cè)量的波形含有如上所述的復(fù)雜波動(dòng)成分,輸出包含數(shù)千赫茲到數(shù)兆赫茲的頻率成分。對(duì)于物體內(nèi)發(fā)生的AE波,由AE探頭變換并記錄。記錄下來(lái)的波形取決于AE探頭的變換能力,可能有不同的頻率成分。圖11-12AE現(xiàn)象與頻帶11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器

材料存在突發(fā)型和連續(xù)型兩種AE波形。金屬材料AE的衰減小、AE持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),塑性變形時(shí)發(fā)生持續(xù)AE,看到的不是突發(fā)和間隙,而是連續(xù)的AE波;對(duì)于混凝土和巖石材料,AE的衰減大,一般可觀測(cè)到突發(fā)型的AE波。

利用聲發(fā)射測(cè)量與分析,可以確定結(jié)構(gòu)損傷(或缺陷)產(chǎn)生的位置,并且也可以對(duì)損傷程度進(jìn)行有效的估計(jì)。11.3.2聲發(fā)射測(cè)量傳感器11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器

目前使用最普遍的聲發(fā)射測(cè)量傳感器是壓電式傳感器,它們大都具有很小的阻尼,在諧振時(shí)具有很高的靈敏度,使用時(shí)可根據(jù)不同的檢測(cè)目的和環(huán)境條件進(jìn)行選用。按原理不同分類主要有以下幾種。1.諧振式傳感器

諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射檢測(cè)中使用最多的一種。單端諧振式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如圖11-13所示。將壓敏元件的負(fù)電極面用導(dǎo)電膠粘貼在底座上,另一面焊出細(xì)引線與高頻插座的芯線連接。不加背襯阻尼,外殼接地。圖11-13單端諧振式傳感器11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器2.寬頻帶傳感器

寬頻帶傳感器的幅頻特性與壓敏元件的厚度有關(guān),它可由多個(gè)不同厚度的壓敏元件組成,也可以采用凹球形或楔形壓敏元件來(lái)達(dá)到展寬頻帶的目的。假如凹球面壓敏元件的厚度不變,則球面深度直接影響頻率特性。3.差動(dòng)傳感器

差動(dòng)傳感器由兩只正負(fù)極差接的壓敏元件組成。輸出為相應(yīng)變化的差動(dòng)信號(hào)。信號(hào)因疊加而增大。差動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)稱,信號(hào)正負(fù)對(duì)稱,輸出也對(duì)稱,所以抗共模干擾能力強(qiáng),適于噪聲來(lái)源復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)使用。差動(dòng)傳感器對(duì)兩只壓敏元件的性能要求一致(尤其諧振頻率和機(jī)電耦合系數(shù)),往往在同一規(guī)格、同一批產(chǎn)品中選擇配對(duì),或者將同一壓敏元件沿軸線剖成兩半。11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器4.電容傳感器

電容傳感器是一種直流偏置的靜電式位移傳感器。由于這種傳感器在很寬的頻率范圍內(nèi)具有平坦的響應(yīng)特性,因此,可用于聲發(fā)射頻譜分析和傳感器標(biāo)定。

為取得良好的檢測(cè)效果,傳感器安裝表面必須平整,以保證有效耦合。安裝面上的污垢和銹斑必須清除干凈。

用油、油脂或高效的鎂塵糊塊,可將安裝面與傳感器之間的空隙填滿,以確保應(yīng)力波能有效地傳到傳感器上。若需要長(zhǎng)期安裝,還可使用多種黏結(jié)劑。在傳感器和流體耦合處,必須采用膠帶、橡筋繩、彈簧等加以固定?？梢杂糜?jì)算頻率響應(yīng)的方法來(lái)計(jì)算通過(guò)耦合層的平面波。一般來(lái)說(shuō),要想獲得高靈敏度,必須使耦合層越薄越好。11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器5.非接觸式光纖聲發(fā)射傳感器

目前常用的AE傳感器大都采用壓電陶瓷晶體(PZT)來(lái)實(shí)現(xiàn),利用PZT的壓電效應(yīng)把機(jī)械量變?yōu)殡娏亢筮M(jìn)行檢測(cè)。這種傳感器的主要缺點(diǎn)是:①傳感器必須與被測(cè)物體接觸,破壞了聲發(fā)射場(chǎng)的邊界條件,影響其測(cè)量精度;②PZT的工作頻帶較窄,約為500kHz,且?guī)?nèi)幅頻特性的波動(dòng)較大,可至30dB;③易受電磁干擾。

采用光纖Fabry-Perot干涉儀原理研制出的高性能AE傳感器,其頻帶上限至1.4MHz,帶內(nèi)的幅頻特性波動(dòng)不大于3dB,振幅的分辨率為0.18nm,且實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量。11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器

下面介紹兩種常用的聲發(fā)射傳感器。(1)Kistler8152A聲發(fā)射傳感器瑞士奇石樂(lè)(Kistler)公司的8152A型聲發(fā)射傳感器由外殼、壓電陶瓷敏感元件和內(nèi)裝阻抗變換器組成。敏感元件安裝在鋼質(zhì)膜片上,其結(jié)構(gòu)決定了傳感器的靈敏度和頻響特性。焊在殼體內(nèi)的膜片耦合表面稍微凸出,使其在一定的安裝力作用下受壓,從而與測(cè)量表面形成穩(wěn)定的、重復(fù)性好的傳遞聲發(fā)射的耦合。設(shè)計(jì)上對(duì)敏感元件與傳感器外殼之間的聲隔離進(jìn)行了精心處理,外界噪聲對(duì)傳感器無(wú)影響。8152A型聲發(fā)射傳感器的體積很小,易于安裝在接近聲發(fā)射源處,以便最佳地拾取信號(hào),從而可以測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)中因微小缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。8152A聲發(fā)射傳感器對(duì)表面波(瑞利波)和縱波在很寬的頻率范圍內(nèi)有很高的靈敏度。8152A1型的頻率范圍是50~400kHz,8152A2型的頻率范圍是80~900kHz。11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器8152A聲發(fā)射傳感器具有下述特點(diǎn):1)體積小、易于應(yīng)用。2)對(duì)電磁干擾不敏感。3)靈敏度高、頻率范圍寬。4)設(shè)計(jì)堅(jiān)固,適于工業(yè)應(yīng)用。5)固有的高通特性。6)與地絕緣,避免地回路。(2)美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)的聲發(fā)射傳感器美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)研制生產(chǎn)的各種類型的聲發(fā)射傳感器能滿足用戶不同的要求。PAC公司的聲發(fā)射產(chǎn)品被廣泛用于壓力容器、管道、各種材料、機(jī)電設(shè)備,以及水泥構(gòu)件、巖石等的檢測(cè)。11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器11.3.3聲發(fā)射測(cè)量?jī)x器聲發(fā)射測(cè)量常用儀器如圖11-14所示,它包括以下幾部分。圖11-14聲發(fā)射測(cè)量常用儀器11.3聲發(fā)射測(cè)量傳感器與儀器1.傳感器

傳感器是聲發(fā)射測(cè)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié),它將感受到的聲發(fā)射信息以電信號(hào)的形式輸出,其輸出值變化范圍通常為10μV~1V。實(shí)踐表明,大部分聲發(fā)射傳感器的輸出值偏于上述范圍較低一端,因此要求處理聲發(fā)射信號(hào)的儀器裝置必須能夠?qū)π⌒盘?hào)有響應(yīng)以及具有低的內(nèi)部噪聲水平,同時(shí)也應(yīng)能夠處理很大的事件而不發(fā)生畸變。2.前置放大器前置放大器一方面進(jìn)行阻抗變換,降低傳感器的輸出阻抗以減少信號(hào)的衰減,另一方面又提供20dB、40dB或60dB的增益,以提高抗干擾性能。前置放大器后設(shè)