声强法测声功率的工程应用研究

    引 言

    现代舰艇对安静性的要求越来越高,而舰艇上机电设备的噪声是主要噪声来源之一。为了对舰艇噪声现状有准确认识,并为未来降噪提供声源数据,需要进行机电设备噪声声功率的测试。

    从实用角度来看,在现场进行声功率测试的方法有两种:声压法和声强法。声压法是传统的声功率测试方法,在实验室条件下有很高的准确度,但在现场测试时需要做修正,一般是用标准声源替代法。这种方法缺陷明显:首先,测试过程繁琐,需做三次相同的声功率测试;其次,由于现场机器设备往往无法移动,标准声源只能在设备上方或旁边作修正测试,故其准确度降低;第三,无法在现场第一时间提供准确结果,须将标准声源在半消声室中测试后才完成。相比之下,声强法测声功率在现场测试中更实用,它受环境及背景噪声的影响较小,一般不需修正。

    但声强法并非不受声场环境、背景噪声的干扰,事实上在高混响场和强噪声环境中,声强测量的误差可能很大。本文着重探讨声强法测声功率时背景噪声、声场环境以及声源表面吸声的影响,目的是为在工厂现场的测量提供简单明确的指导。

    1 声强法测量声功率的基本原理及误差分析

    1.1 基本原理

    声强是表征能量流大小的矢量,其方向与质点速度u_(t)在同一直线上,瞬时声强定义为

    声强测量时,将两个相同的传声器面对面固定,二者相距很小距离,用两个传声器测得的声压P1、P2来计算声强。声强测量的基本关系式为

    式中Ir为传声器轴向声强,vr为两传声器间距,Q0为空气介质密度。实时声强分析仪就是基于(2)式计算声强的[1],该声强测量方法也称为直接法或滤波器法。

    另一种声强测量仪是FFT声强仪,是对两传声器拾取的声压信号进行FFT变换,经计算得到声功率,其测量基本关系式为

    式中Im表虚部,G12为P1、P2的互功率谱密度[2]。

    测量声源声功率时,只需对包围声源的包络面上的声强进行测量,再对声强作面积分即得到声功率,即

    1.2 误差分析

    声强测量的主要误差有:两个信号通道相位不匹配带来的误差、有限差分误差、近场误差、随机误差等等,这里仅讨论主要的或与我们的实验有关的误差。

    1.2.1 相位失配的误差

    声强测量结果与两个传声器间的相位差有关。实际上,声强包含了声压以及相位两方面的信息,相位信息是声强有别于声压的关键参数,因此相位问题实际上是声强测量的最关键问题。但声强仪器中两个通道之间(包括两个传声器)不可避免的存在电相位差,它们等效于在传声器上附加了一个干扰相差He,从而引起声强测量误差,该误差与频率有关,可以证明,由声强仪两通道相位失配引起的声强测量误差eH满足