第十二章 汽车噪声试验系统
噪声对人体的危害早在公元前7世纪已被人们所认识。当然，当今人们对噪声危害的认识更加深入。1979年世界环境保护会议上将噪声列为当代人类最不可容忍的灾难之一。汽车是当今社会主要的噪声源之一，欲减小汽车噪声对人体健康的影响，首先应对噪声进行准确的度量和分析。
第一节 噪声谱分析系统
噪声的频谱分析与第五章中介绍的汽车行驶平顺性分析方法完全相同，所用数学工具均是FFT。由于噪声的频率范围较宽（可闻声波的频率范围是20Hz～20000Hz），所以噪声频谱分析的分频方法常采用倍频程。当然，为了不同的目的，有时也采用与平顺性分析相同的分频方法（1/3倍频程）。表12-1是可闻声波按倍频程分频得到的各频带上、下限频率的结果，若测得声压的时间历程为p(t)，按下式可计算出各频带上声压的均方根值（频谱值）。
1fu2p(f)df (12-1) ?pi?T?fl式中：?pi——中心频率为fi所对应频带上的声压均方根值；
fl、fu——分别为各频带上的下限频率和上限频率；
p(f)——中心频率为fi所对应频带上声压时间历程的富氏变换。
倍频程各频带的上、下限频率和中心频率 表12-1
中心频率fi（Hz） 31.5 63 125 250 500 下限频率fl（Hz） 22.5 45 90 180 355 上限频率fu（Hz） 45 90 180 355 710 中心频率fi（Hz） 1000 2000 4000 8000 16000 下限频率fl（Hz） 700 1400 2800 5600 11200 上限频率fu（Hz） 140 2800 5600 11200 22400 人耳对噪声的反应是对高频敏感、低频迟钝。因此，噪声频谱分析的主要目的之一是了解噪声在各频带上的分布，以便采取相应的措施减小噪声对人体的危害。
为了使对客观物理量的测试结果能反应人耳的固有特性，需要引入响度、响度级及计权网络等重要概念。人耳对声音的听觉反应是“响”或“不响”，因此用响度对其度量。由于人耳对不同频率声音的反应不同，所以不同频率的声音，尽管其声压级相同，但人耳所感觉到的响度却不一样。为了获得响度与声压级间的关系，美国的弗莱切（Fletcher）和芒森（Munson）及英国的鲁宾逊（Robinson）和达逊（Dason）对许多人群进行了各种频率的听觉试验，他们将不同频率、响度相同的点连成一条曲线，便得到了等响曲线。再将各个频率的听域声压级点和痛域声压级点分别相连，便得到了听域线和痛域线。在两线之间，按响度的不同，将其分为若干个级，即响度级。在国际标准中，将其分为13级，其单位为仿（Phon）。每一级都有一条对应的等响曲线，如图12-1所示。其中：零响度线即听域线，120仿的响度线即痛域线。
响度的单位是宋（Sone)，1宋的响度相当于1000Hz的纯音、声压级为40dB（响度级为40仿）的听觉反应。50仿为2宋，60仿为3宋。实验证明，响度级每增加10仿，响度增加一倍。若用LN代表响度级，N表示响度，二者的关系是：
N?2LN?4010 （12-2）
图12-1 等响曲线
为了便于比较不同频率噪声对人体的影响，需对噪声进行频率加权处理，国际组织规定
了3种声频率加权处理方法，并给了它一个专用的名词，即计权网络。A计权网络是仿效40仿等响曲线设计的，其特点是对中频和低频噪声有较大的衰减，这种特性与人耳的感觉比较接近；B计权网络接近70仿等响曲线，仅在低频段有一定的衰减；C计权网络接近100仿等响曲线，在任何频率都没有衰减。如图12-3所示。
图12-3 声级计计权网络特性曲线
声级计上均设有计权网络选择按钮，噪声测试前需选定计权网络，由声级计输出的声压信号便是经加权处理后的时间历程pf(t)，将pf(t)带入式（12-1）可得到选定计权网络个频带声压的均方根值，即噪声频谱。
第二节 声强试验系统
表达噪声大小强弱的客观量是声压、声强和声功率。物理学家韦伯的大量实验发现，人耳对声音的感觉（听觉）与客观物理量（声压、声强、声功率）之间并不是线性关系，而近
似于对数关系，即人的听觉随刺激量的增大而逐渐趋于迟钝。为此，科学家便引出了一个成倍比关系的对比量——声级，用以表达声音的大小强弱。与声压、声强、声功率等物理量对应的声级量分别是声压级、声强级、声功率级，它们彼此之间的关系是：
p （12-3） p0I LI?10lg （12-4）
I0w Lw?10lg （12-5）
w0式中：Lp,LI,Lw——分别是声压级、声强级、声功率级，dB；
Lp?20lg p,I,w——分别是声压、声强、声功率，N/m、w/m、w；
22 p0,I0,w0——分别是基准音的听阈声压、听阈声强、听阈声功率，N/m、w/m、
22w。
声音是一个既有大小又有方向的矢量，但度量声音的各量中只有声强是矢量。因此要想深入研究噪声（如声源的定位和识别、声能测线的测量、材料隔吸声性能的测定及机械故障的诊断等），需对声强进行测量。早期，许多物理学家及声学工作者都试图测出声强这一物理量，但直到1977年美国科学家J·R·Chung和英国科学家F·J·Fang分别独立证明了声强的互谱关系式才获得成功。由此可见，声强的测试和声压不同，它需要用到2个声压传感器，如图12-4所示。A和B应是二只特性完全相同的声压传感器，正对安装，二者之间用隔离器将其隔开。若要得到最准确的测试结果，A、B二个声压传感器间的距离L（隔离器的长度）应视被测噪声频率的高低在12mm～50mm范围内自由可调。在低频和高回响的情况下，距离L较长；当频率高时，距离L则应较短。L
（a）声强测试系统的外形与组成 （b）声强测试系统中声传感器安装关系
图12-4 声强测试系统
1—信号分析与处理设备，2—声传感器A，3—隔离器， 4—声传感器B，5—传感器安装支架，6—手柄，7—信号线
基于J·R·Chung和F·J·Fang分别独立证明的声强互谱关系，利用图12-4所示的双声压传感器测得的声强可由下式计算得到。
Ir(f)??Im?GAB(f)? （12-6） 2??Lf1式中：Ir(f)——r方向上的声强谱密度函数；
Im?GAB(f)?——声传感器A和B测得声压互功率谱的的虚部；
?——声传播介质的密度；
L——声传感器A和B间的距离。
对式（12-6）积分便可得到考察频带上的总声强Ir，即：
Ir??f2f1Ir(f)df （12-7）
声强的测试是利用声波分别传到A、B二个声传感器时间差（相位差）判断声传播方向，用二只声传感器测得的平均声压度量声音的大小。若声波先到达声传感器A，后到达声传感器B，则声波的传播方向是由A指向B；若声波先到达声传感器B，后到达声传感器A，则声波方向是由B指向A；若声传感器A和B同时接收到声波，则声波的传播方向与声传感器A和B的中心线垂直。
第三节 声全息测试技术
全息的概念是由著名物理学家Gabor D于1948年在改进电子显微镜的工作过程中提出的，并首先在光学领域得到应用。1966 年，Thurstone F L首次将其引入声学领域，并称之为声全息技术。
声全息是一种将噪声映射为声强分布并定位噪声源的技术，它使用声传感器阵列（见图12-5）生成噪声源的声音图像，如图12-6所示。声全息测试系统中的通道越多，图像的分辨率就越高，但通道数的增加，测试系统会变得复杂，测试成本随之大幅上升。目前用得较多的声全息测试系统是64通道到128通道。但要想获得分辨率高的整车声全息图片，需采用400通道以上的声全息测试系统。
图12-5 声传感器阵列
（a） 矩形阵列 （b） 螺旋形阵列 （c）十字形阵列
图12-6 声全息图片
声全息技术有常规声全息、远场声全息到近场声全息等三类。
一、常规声全息
由于受当时测试技术与测试设备的限制，全息测量面重建的图像只能记录空间波数小于等于2?/?（?声波波长）的声波成分，且全息测量面只能正对从声源出来的一个小立体角。因此，当声源辐射场具有方向性时，可能会丢失声源的重要信息。此外，常规声全息技术只能用于重建声压场，而不能得到振速、声强等物理量。
二、近场声全息（NAH）
1985年，宾州大学的Maynard教授等人运用近声场测量全息面重建了声源，首创了近场声全息（NAH）测试方法，从而大大推进了声全息技术的进步，也激起了全球对声全息技术研究的热潮。近场声全息是在紧靠被测声源物理表面（声传感器阵列或天线阵列离声源的距离d远小于声波波长?，即d??）的测量，通过变换技术重建三维空间声压场、振速场、声强矢量场，能预报远场指向性。由于是近场测量，所以除可记录传播的声波成分外，还能记录空间频率高于且随传播距离按指数规律衰减的倏逝波成分，因此可获得不受波长限制的高分辨率图像。
三、远场声全息
远场声全息是通过对远离声源（d??）声压场的测量重建表面声压及振速场，由此预报辐射源外任意一点的声压场、振速场和声强矢量场。由于观测点离声源较远，记录不到倏逝波成份，因此分辨率受波长的限制。远场声全息突破了近场声全息要求声传感器阵列的面积至少和被测物体的表面一样大及声传感器阵列距被测物体间的距离必须足够小（通常在10厘米以内）的限制，它就像是一架“声学照相机”，因此可方便地用于高速行驶的汽车、列车及飞机飞行噪声的测量。
远场声全息图像的分辨率和麦克风的数量和阵列的形状密切相关，一般说来，声传感器的数量越多，分辨率越高。而分辨率和声传感器阵列形状的关系就比较复杂，除十字形阵列和矩形阵列与分辨率有简单的解析关系外，其他形状的声传感器阵列与分辨率的关系很难用简单的数学关系表达。十字形阵列和矩形阵列结构简单，但螺旋形阵列的性能最优。
汽车试验技术课件 第十二章 汽车噪声试验系统
