聲強(qiáng)測(cè)試技術(shù)及降噪處理

宋曉

【摘 要】聲強(qiáng)是矢量，克服了傳統(tǒng)的聲壓測(cè)量法不能確定聲源的方向和位置，對(duì)測(cè)試條件要求嚴(yán)的缺點(diǎn)，可利用被丟失的聲壓相位信息，全面描述輻射聲場(chǎng)的聲學(xué)特性，便于聲源定位。同時(shí)，還可以排除噪聲源近場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生的干擾，不受測(cè)量環(huán)境的限制進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。因此，聲強(qiáng)測(cè)量在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。本文的主要工作就是根據(jù)聲強(qiáng)測(cè)試原理編寫出聲強(qiáng)測(cè)試程序，并在聲強(qiáng)計(jì)算的同時(shí)進(jìn)行信號(hào)降噪處理，將聲強(qiáng)測(cè)試?yán)碚撆c工程實(shí)踐相結(jié)合。

【關(guān)鍵詞】聲強(qiáng)；降噪；測(cè)試

中圖分類號(hào)： TK417.125 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.015

【Abstract】The sound intensity is a vector， which overcomes shortcomings of inability to determine the direction of the sound source and strict requirements on the test conditions by traditional sound pressure measurement. It can use the lost sound pressure phase information， fully describe the acoustic properties of the radiation sound field and locate the sound source. At the same time， the interference generated by the near-field effect of the noise source can also be eliminated， and the measurement environment is not limited. Therefore， sound intensity measurement has been widely used in engineering. The main work of this paper is to make a sound intensity test program based on the sound intensity test principle， and to perform signal noise reduction processing while calculating， this combines sound intensity test theory with engineering practice.

【Key words】Sound intensity；Noise reduction；Measurement

聲強(qiáng)是衡量聲場(chǎng)中的聲能流。更準(zhǔn)確地說(shuō)，聲強(qiáng)是一個(gè)矢量，定義為通過(guò)與能流垂直方向上的單位面積的聲能量的時(shí)間平均值。聲強(qiáng)表示為每單位面積單位時(shí)間的能量（W/m2）[1]。聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度的乘積是一個(gè)矢量，表示單位面積瞬時(shí)聲能流量的大小和方向，故瞬時(shí)聲強(qiáng)可寫成

由于聲強(qiáng)[2]是矢量，測(cè)量環(huán)境對(duì)它影響不大，可以更好的進(jìn)行聲源定位。相反，測(cè)量聲場(chǎng)的聲壓來(lái)分析聲源，對(duì)聲場(chǎng)依賴性很強(qiáng)，對(duì)測(cè)試條件要求很高。在工程測(cè)量中，聲強(qiáng)測(cè)量越來(lái)越發(fā)揮出了重要作用，已經(jīng)成為噪聲測(cè)量的一個(gè)重要手段。

1 聲強(qiáng)測(cè)量基本原理

由聲強(qiáng)[3]的定義可知，聲強(qiáng)測(cè)量主要是測(cè)聲壓和粒子速度。其方法可以分為兩類：一類是將傳聲器和直接測(cè)點(diǎn)速度的傳感器相結(jié)合，可簡(jiǎn)稱為p-u法。另一類是雙傳聲器法，簡(jiǎn)稱為p-p法。[4]

1.1 p-u法

一個(gè)p-u聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合了兩個(gè)根本不同類型的傳感器。聲強(qiáng)可以簡(jiǎn)單看作瞬時(shí)聲壓和粒子速度信號(hào)的乘積的時(shí)間平均值。聲壓的測(cè)量比較容易，在探頭中心裝有麥克風(fēng)即可測(cè)出聲壓。粒子速度的測(cè)量需要兩對(duì)超聲波發(fā)射器，可同時(shí)發(fā)射兩個(gè)平行的而方向相反的超聲波束，并在等距離處有各自的接收器。在同向上傳來(lái)音頻信號(hào)時(shí)，兩個(gè)接收器所接收到的信號(hào)就存在相位差，這樣就通過(guò)相位差把質(zhì)點(diǎn)速度測(cè)出。質(zhì)點(diǎn)速度的具體計(jì)算如下所示。

設(shè)超聲波的發(fā)射器和接收器之間的距離是d，則在沒(méi)有聲波時(shí)超聲波由發(fā)射到接受所經(jīng)歷的時(shí)間為t0=d/c。若存在聲波，其質(zhì)點(diǎn)速度為u，則兩個(gè)超聲波束所歷的時(shí)間各自變成t1=d/（c+u）和t2=d/（c-u），其相位差為

2 聲強(qiáng)的頻域分析法

我們通常采集的都是聲壓的瞬時(shí)信號(hào)，而對(duì)于控制分析中，平頻域中的譜分析往往比時(shí)域分析重要，所以我們就需要聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x器來(lái)將測(cè)到的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域中的聲強(qiáng)分布。

3 聲強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)

如今，聲強(qiáng)測(cè)量已在工程中廣泛應(yīng)用，各種聲學(xué)軟件都帶有聲強(qiáng)測(cè)試模塊，才有商業(yè)軟件可以快速方便得實(shí)現(xiàn)聲強(qiáng)測(cè)量，但無(wú)法深入理解聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)的原理，本文編寫一套聲強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)，該套軟件系統(tǒng)模塊清晰，備注簡(jiǎn)明，有著很好的開放性，可隨時(shí)對(duì)其修改和完善?？傮w基于信號(hào)采集理論，在采集過(guò)程中實(shí)時(shí)分析計(jì)算，每一時(shí)刻都將最新的數(shù)據(jù)展示在用戶面前，同時(shí)導(dǎo)出模塊還可以進(jìn)行復(fù)雜的后續(xù)分析，使軟件的使用功能進(jìn)一步增強(qiáng)。

由于該套只有在和硬件平臺(tái)相結(jié)合才能發(fā)揮作用，要想驗(yàn)證該聲強(qiáng)軟件編寫的正確性，需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證，可以通過(guò)修改軟件模擬了采樣，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)的精確度，探究了其工程意義。

基于平面波的理想聲場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證該程序，模擬1000Hz聲壓幅值為1Pa的平面波。基于聲學(xué)公式可求得精確解：

PA=PB=1Pa（90.9677dB），I=90.67525dB

根據(jù)該軟件求得的解：

PA=PB=90.9691dB，I=90.5165dB

可見(jiàn)，該程序可以精確的模擬平面波聲場(chǎng)，說(shuō)明該仿真程序具有較高的精度。

4 基于相關(guān)函數(shù)的噪聲去除

實(shí)際的聲場(chǎng)往往包含復(fù)雜的噪聲信號(hào)，所以在采集前進(jìn)行去噪處理尤為重用，本章就介紹了一種基于自相關(guān)函數(shù)的去噪方法并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

4.1 去噪算法設(shè)計(jì)

從上面分析我們可以看出，只要對(duì)周期信號(hào)取自相關(guān)，得到函數(shù)也具有周期性，且與原信號(hào)周期相同。這樣就可以提取包含噪聲信號(hào)的有用信號(hào)頻率。

4.2 聲強(qiáng)去噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聲強(qiáng)去噪系統(tǒng)加入了有用信號(hào)的頻率識(shí)別和窄帶濾波去噪：

定義一個(gè)1Pa的1000Hz單頻信號(hào)疊加一個(gè)白噪聲信號(hào)，通過(guò)該軟件可以精確識(shí)別出頻率為999.955Hz，其中去噪后聲強(qiáng)為91.1341dB，和理論解90.67525dB相比，較為準(zhǔn)確。

因?yàn)樵撔盘?hào)采樣為模擬，沒(méi)有考慮到窗函數(shù)和泄露問(wèn)題，但保留了周期的峰峰值，不是標(biāo)準(zhǔn)的周期信號(hào)，但不影響識(shí)別。

5 結(jié)論

本文從最基本的聲強(qiáng)理論入手來(lái)探討聲強(qiáng)測(cè)量的本質(zhì)含義，詳細(xì)介紹如何編寫聲強(qiáng)測(cè)試程序，將理論上升為實(shí)踐，來(lái)說(shuō)明該方法的工程可行性。最后又介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的去噪技術(shù)，該技術(shù)可以在聲強(qiáng)計(jì)算前進(jìn)行噪聲去除，該部分是聲強(qiáng)測(cè)試工程實(shí)際相結(jié)合的重要一環(huán)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉起元，許國(guó)賢，胡長(zhǎng)戰(zhàn)等.聲強(qiáng)測(cè)量技術(shù)在汽車噪聲控制中的應(yīng)用[J].汽車工程，1992，14：86～93.

[2]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].第2版，南京：南京大學(xué)出版社，2012.

[3]馬大猷，沈濠.聲學(xué)手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，1983.

[4]蔣孝煜，連小珉.聲強(qiáng)技術(shù)及其在汽車工程中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.