如何正确测量噪声？

噪声是由许多不同频率和强度的声音无规律地组合而成的。长期在噪声环境中工作和生活的人，会发生语言听力障碍、中枢神经受损等疾病。噪声作为三大公害之一，已引起了世界各工业国的高度重视。机电设备产生的噪声，不仅会影响操作者的身体健康，而且还会增加操作失误。此外，一定频率和声压级的噪声还会影响高精度机电产品的工作性能。因此，噪声是评价机电产品性能的主要指标之一。

一、噪声的度量

噪声是振动能量在空气中的传播，是声波的一种，具有声波的一切特性。和声音一样，噪声的强弱采用声压级、声强级和声功率级来评价。工程中还常常作噪声的频谱分析，并据此寻找噪声源和设法控制噪声。

1.声压和声压级

声波是一种具有疏密变化的纵波。空气中有声波传播时的波动压强与没有声波传播时的静压强之差值称为声压强，简称声压，用p表示。一般声压是指一段时间内波动声压的均方根值，即有效声压。

工程中为了评价的方便，常采用一种相对量值来衡量声压，即声压级Lp。声压级的数值等于声压p与基准声压p0比值的常用对数乘以20，单位为分贝（dB），即

Lp＝201g（p/p0）dB　（9-6）

基准声压p0定为20μPa，是指人耳刚能听到的1000Hz纯音的声压，又称为听阈声压。人的听觉范围从20μPa至104Pa，相当于声压级0～130dB。

2.声强和声强级

噪声的强弱还可以用声波的能量来评价。在声音传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能量称声强，用I表示，单位是瓦/米2（W/m2）。在声场中，不同点处的声强是不同的，它与离开声源的距离平方成反比。

声强级LI也是一种相对量值，等于声强I与基准声强I0的比值取常用对数再乘以10，单位为分贝（dB），即

LI＝10lg（I/I0）dB 　（9-7）

基准声强I0＝10﹣12W/m2，又称听阈声强。

3.声功率和声功率级

声功率也是用来评价声波能量的。与声强不同，它是声源在单位时间内辐射出来的总能量。对声源来说，声功率是恒量，与测量环境无关。声功率用W表示，单位是瓦（W）。

声功率级LW是声功率W与基准声功率W0的比值取常用对数再乘以10的值，单位仍为分贝（dB），即

LW＝101g（W/W0）dB 　（9-8）

基准声功率W0＝10﹣12W。

4.响度和响度级

声压级相同而频率不同的声音听起来不一样响。为了用人的主观感觉来评价噪声的强弱，引出了一个与声强、频率和波形都有关的物理量，称作响度N。响度的单位是“宋”（Sone）。规定频率为1000Hz、声压比听阈声压大40dB的纯音所产生的响度为1宋，且声压级每增加10dB，响度增加1宋。

响度的相对度量是响度级LN，单位为“方”（phon）。以1000Hz的纯音作为基准声音，若某噪声听起来与该纯音一样响，则该噪声响度级的方值就等于该纯音声压级的分贝值。例如，某噪声听起来与声压级为85dB的纯音一样响，则该噪声的响度级就为85方。

利用与基准声音相比较的试验方法，以频率和声压级为坐标，找出响度相同的点，就可以画出等响度曲线。等响度曲线是许多声学测量仪器设计的依据。

5.噪声的频谱

噪声中包含着许多强度不同、频率不同的声音。不同频率成分的噪声，产生的原因不同，影响也不一样。仅仅测量噪声的总强度，还不足以了解噪声的频率成分、产生原因及其影响。因此，还必须了解噪声的强度随频率分布的情况，即噪声的频谱。

图9-38 某动力机器的倍频程噪声频谱

由于声音的频率范围较宽，为了分析方便，在整个可闻声的频率范围内（20Hz～20kHz），可按倍频程或1/3倍频程带宽将频率划分成若干个频率带。频率带上、下限频率的几何平均值，即称该频带的中心频率。如按倍频程带宽划分，整个可闻声的频率只划分为10段。表5-1列出了这10个频带的中心频率和频率范围。这样，只需在这为数不多的频带内进行噪声强度分析就可以了。

以各频带中心频率为横坐标，以该频带对应的声压级（或声强级、声功率级）为纵坐标绘制出的图形称噪声频谱。图9-38为某动力机器的倍频程频谱。从图中可以很清楚地了解到占主导地位的噪声频率成分，从而为噪声分析和噪声控制提供重要依据。为了准确地寻找噪声源，有时需要采用更窄的频带宽度来分析噪声的频谱。

二、常用噪声测量仪器

声压信号是空气或其他媒质的振动信号，一般要先用传声器将其转换为电压信号，然后送入声级计就可以进行声级的测量。若再配一组带通滤波器，则可以进行噪声的频谱分析。测量和分析的结果可用电平记录仪或磁带记录仪记录下来。

1.传声器

传声器是一种声-电转换装置，根据其工作原理可分为电容式、压电式、动圈式和永电体式。其中，电容式传声器的性能最好，常与精密声级计配套使用。压电式和动圈式传声器的性能次之，适合与普通声级计配套使用。图9-39为电容式传声器的原理图。接收声压信号的是一张拉紧的金属振膜，它相当于变极距式电容传感器的动极板。定极板是图中的背极。在背极上开有若干个阻尼孔，在壳体上开有毛细孔，其作用是抑制振膜的共振振幅和防止振膜破裂。电容两极板上加有直流极化电压e0。声压pi变化使振膜振动，从而导致电容传感器的电容量发生变化。从输出端即可取出相应变化的电压信号ey。

图9-39 电容式传声器

1—毛细孔；2—内腔；3—背极：4—振膜；5—阻尼孔；6—绝缘体

噪声测量仪器的频率响应特性、灵敏度、测量精度等一般都取决于传声器，因此，传声器的性能对噪声测量结果起着重要的作用。

2.声级计

传声器输出的交变电压信号要经过放大、衰减、计权、检波等处理。将上述处理电路与传声器、指示器、电源结合在一起，即组成测量声压的声级计。常用的声级计分普通声级计和精密声级计两种。

精密声级计的工作频率范围为20～12500Hz，整机灵敏度小于1dB，其工作原理如图9-40所示。传声器输出的电压信号先经过适当衰减和输入电压放大后，送入计权网络（选择不同的计权档可以得到不同的声级量）；然后再经过输出衰减和放大，送入均方根值检波器得到相应的声压级，转换成分贝值后由表头显示。对信号进行两级衰减和放大处理，是为了适应不同量级信号的测量，同时也能提高信噪比。输出放大器的交流信号还可以直接送入其他记录器或频谱分析设备。有的声级计还备有外接滤波器插孔，便于用其他滤波器来进行频谱分析。如果增加一个模/数转换器，则测量结果可以用数字显示出来。

图9-40 声级计工作原理框图

声级计中的计权网络是根据等响度曲线设计的一组具有不同滤波能力的滤波线路。它主要是通过模拟人耳对不同声音的响应来对不同频率的声音信号进行不同程度的衰减。声级计中通常设有A、B、C三个计权网络，其计权特性如图9-41所示。

A 网络是模拟人耳对40方纯音的响应，它使信号的低频和中频段（1000Hz以下）有较大的衰减。这与人耳对高频声音敏感，对低频声音不敏感的感觉近似，这样，声级计的读数能表达人耳对噪声的感觉。用A 网络测得的声级来代表噪声的强弱，称为A声级，用LA表示，单位记作dB（A）。

图9-41 A、B、C计权特性曲线

B网络是模拟人耳对70方纯音的响应，它使信号的低频段有一定的衰减。C网络是模拟人耳对100方纯音的响应，它使所有频率的声音几乎程度一样地通过。由于B声级和C声级不能表征人耳对噪声的主观感觉，故一般不用来评定噪声的声压级。但在传声器的校准，粗略判断噪声的频率成分时，需测量B声级和C声级。C声级还用于噪声的频谱分析。有的声级计还设有D网络，专门用来评价人耳对航空噪声的感觉。

三、机床噪声测量

（一）机床噪声源及噪声标准

1.机床噪声源

根据振源的属性，机床噪声一般分为三类，即结构噪声、流体噪声和电磁噪声。

结构噪声由机床内各种运动部件，如齿轮、轴、轴承、离合器、皮带、凸轮等运动时的冲击、摩擦、不平衡运转所引起。箱体、罩壳等部件受激发也会产生二次空气声。

流体噪声是指机床中的液压、润滑、冷却系统和气动装置所产生的噪声。其原因是液体、气体的流量和压力的急剧变化所引起的冲击使管路、壳体等产生振动；液压系统的空穴和涡流现象引起的振动等。

电磁噪声是由于电机嵌线槽数的组合不平衡，绕组节距、转子与定子间空隙不均匀以及电源的电压不稳定所产生的高次谐波；由于磁致伸缩所引起的铁芯振动等。

2.机床噪声标准

由于机床在各工业部门中使用广泛，加之机床朝着高速化、高效化、大功率强力切削和精密化方向发展，因此，机床噪声标准已成为各国关注的重要问题。

我国国家标准（GB9061—88）把噪声列为金属切削机床质量检验指标之一。标准规定，机床在空运转时，高精密机床的噪声声压级不得超过75dB（A）；对精密机床和普通机床，声压级在85dB（A）为合格品，83～85dB（A）为一等品，81 83dB（A）以下为优等品。对噪声级的测量方法，国家也制定了相应的专业标准。

世界上许多国家对机床的整机噪声标准一般都不作统一规定，而是由制造厂家与用户协商确定，以利于产品的竞争。国际标准化组织（ISO）从保护职工的听力出发，根据在噪声环境下工作的时间，规定了不同的噪声容许标准（ISO1999）。(www.xing528.com)

（二）机床噪声声压级测量

国家标准规定，测定机床总噪声水平以声压级测量为主，即按（ZB J50004—88）标准测量机床噪声的声压级dB（A）。

1.测点布置

测点位置和测点数的选择原则，是使所测得的声压级能客观地反映机床噪声给工作环境和操作者所带来的影响。各国标准的规定大同小异，主要内容是：（参见图9-42）

（1）测量外迹距离机床外迹投影面1m；若机床外形尺寸不足1m时，距离可缩短为0.5m。

图9-42 机床测点示意图

（2）测量外迹应圈进各种辅助设施，如电气柜、液压箱、操作台等。辅助设施远离机床时应单独测量。

（3）测点应在外迹上离地平面1.5m处，相当于人耳位置高度。相邻测点间距为1～1.5m。为了避免漏测噪声级最大的点和利于确定噪声的方向，测点数目应足够多，一般应多于5个点。

（4）测点应包括操作位置和操作者常到的位置。

2.测量条件

测量的环境条件和机床的工作状态，对机床噪声的测量结果都有影响。为此，一般对测量条件作如下规定：

（1）为了减小反射声对测量结果的影响，要求机床外表面距四周声反射表面有一定的距离，一般不少于2m。

（2）应预先测量背景噪声，即包括仪器本身在内的周围环境噪声。各国都规定在机床噪声测量位置上测得的背景噪声应比机床噪声低10dB（A），否则应适当进行修正。

（3）机床应处于正常安装和使用状态。测量时，机床应由冷态逐步达到正常工作温度。应选择机床产生最大噪声时的切削参数或在规定的生产率状态下进行测量。

（4）机床在空运转、加载和切削状态下噪声级是不同的。我国规定，以机床空运转时的测量值作为机床噪声水平。

3.测量仪器使用要求

测量机床噪声的声压级应采用精密声级计A计权网络。

（1）测量时，声级计的传声器在测点上应水平朝向机床噪声源。为了消除操作者身体引起的反射声影响，可利用三角架支撑声级计。气流在传声器外壳上形成涡流，会产生附加噪声，可在传声器前安装防风装置以消除气流的影响。

（2）测量前，应检查电源电压，并校准传声器的灵敏度和指针读数。测量结束后，必须重新校准传声器的指针读数。两次差值不得大于1dB（A），否则所测数据无效。

常用的声级计校准方法有活塞发声器校准法、静电激振法、互易校准法和置换法等。

4.测垂数据处理

声级计分快、慢两档。快档用于测量随时间波动较小的稳态噪声；慢档用于测量波动大于4dB的噪声。测量时，应读出表头指针的平均偏摆值。用慢档测量偏摆大于4dB的噪声时，观察时间不应少于10s。读数值视不同情况分别处理：当指针偏摆在3dB以内时，读数值取上、下限的平均 ；当指针偏摆在3～10dB时，平均声压级应按标准中给定的公式进行计算；当指针偏摆超过10dB时，应视为脉冲噪声，改用脉冲声级计测量。数显读数也应参照上述情况处理。

声压级的测量与被测机床的周围环境和测量距离密切相关。在不同环境下，测量结果会产生差异。采用声功率级测量可以克服这个缺点，因为声源辐射的声功率是一个恒量，能客观地表征机床噪声源的特性。我国相应也制定了声功率级测量方法的国家标准。近些年来，国外又在研究声强的测量方法，研制了相应的声强探头和测试仪器，以期取代较繁琐和需要特殊测量环境的声功率级测量方法。

（三）机床噪声频谱分析

一般而言，噪声中各种频率成分都对应着机床中某个具体的噪声源。因此，频谱分析是识别机床噪声源的一种重要方法。

1.机床噪声频谱测量方法

目前国内外主要采用声压级信号来分析机床噪声频谱，其测量条件与前述声压级测量条件相同。

（1）当不具备所需的频谱分析仪器时，可以利用声级计中A、B、C三档计权网络的读数LA、LB和LC粗略地估计声压级频谱的特征。根据三个网络的滤波特性，当LA＝LB＝LC时，表明噪声中高频成分较突出；当LC＝LB＞LA时，表明中频成分略强；当LC＞LB＞LA时，则表明低频成分占主导地位。一般机床噪声多以中、高频成分为主。

（2）声级计与滤波器、记录仪结合在一起，即可组成频谱分析仪。常用的仪器组合如图9-43所示。对稳态的宽带机床噪声，可选用倍频程和1/3倍频程滤波器。要求分析精度高时，可选用恒百分比带宽和恒带宽、窄带滤波器频谱分析仪。对脉冲噪声，还可选用实时频谱分析仪。为了客观地反映噪声中所有频率成分的强度，测量时声级计不采用计权网络，而将旋钮对准线性档L位置。

图9-43 噪声频谱分析仪器的组合示意图

1—传声器；2—三角架；3—频率分析仪；4—电平记录仪

2.机床噪声源分析

机床噪声主要是机件的冲击、摩擦和其他交变力引起振动而产生的。通过计算可以求出各声源的频率特性，如轴的回转频率、各级传动齿轮的啮合频率、由轴的回转频率与齿轮啮合频率相互调制而产生的上下边频、轴承的噪声频率、电动机的噪声频率等。此外，由于机件具有一定的质量、弹性和阻尼，噪声源的发声频率还与机件的固有频率有关。通过理论计算或激振试验，可以求出它们的频率响应特性。将所掌握的机床各声源频率特性与噪声频谱图中的主要峰值相对照，即可初步确定各峰值所对应的主要声源。

某卧式镗铣床在空运转和主轴达到最高转速（n＝1036r/min）的情况下噪声最大，此时整机的噪声频谱如图9-44所示。从图中可以看出，在整个频率范围内，630至3000Hz之间噪声的幅值较大。其中有几个明显的尖峰，如685Hz、960Hz、1165Hz、1370Hz和2740Hz等。通过对机床各级传动齿轮啮合频率的计算和分析比较，可以初步确定主要噪声源是变速箱和主轴箱中的弧齿锥齿轮。为了进一步验证分析结果，还可以采取分段分析方法，如可以逐级断开各传动链分别进行评价测量。找出主要噪声源后，采取针对性措施，消除有缺陷零部件的噪声影响，从而降低整机的噪声水平。

图9-44 镗铣床整机噪声频谱（n＝1036r/min）

机床噪声测量方法中的基本原则和基本要求也适用于其他机电设备的噪声测量。

四、声强测量及其工程应用

声强I是在垂直于声音传播方向上单位时间内通过单位面积的声流能量。由于声强具有指向性特征，是一个矢量，同时对测量环境要求不高，因此，声强测量的工程应用范围很广，如可用于声源定位、声功率测量、材料的声学参数测量等。

1.声强的测量方法

（1）根据声强定义导出的测量方法中，可以采用声压传感器来测量声强。

由声强的定义，有

在声音传播的r方向上，声强可以用下式来描述：

式中，T为测量时间；p（t）为瞬时声压；vr（t）为媒质质点在r方向上的瞬时速度。

根据声场理论，质点的瞬时速度可以通过测量声压值近似得到，即

式中，pA、pB为在r方向上相距Δr的A、B两点处的声压值；Δr为间距，应比声波中最短的波长小许多；p为媒质密度；负号表示质点由声压值大的B点向声压值小的A点流动。

若取p（t）为A、B两点的平均声压，p（t）＝（pA＋pB）/2，则式（9-9）可化为

根据式（9-11）设计的声强计原理框图如图9-45所示。将A、B两传声器获取的信号分别经过放大、A/D转换和滤波后，两者相加得到p（t），两者相减并积分得到v（t）。最后对p（t）和v（t）的乘积进行平均处理，即得到声强Ir。

图9-45 声强计原理框图

（2）声强还可以用在r方向上相距Δr的两点处声压值的互功率谱密度函数来求取，称为互功率谱声强测量法。该方法要求配用能进行FFT分析的信号处理机，间距Δr亦应小于声波中最短的声波波长。此外，要求传声介质的动力学特性是线性、各向同性的；无粘性、无介质流动；无其他声源干扰。

2.声强测量的工程应用举例

图9-46是利用声强测量的定向特性进行环境噪声监测和分析的示意图。在工厂密集区，往往存在着许多噪声源。环境保护部门需要找出主要噪声源，并对其进行监测和控制。图（a）表明，通过环境保护测量车上的声强测量系统，在±90。的方位内对声场进行定向测量，结果发现主要噪声源集中在﹣52。方位的A声源和﹣30。方位的B声源处。图（b）是根据声场测量数据，按频率、幅值和方位画出的三维声强谱图。图中可明显见到，在﹣52。方位上，频率在450Hz和600Hz附近有最大的突峰，这是A声源造成的。为了进一步分析A声源的性质，提供寻找具体噪声源的依据，图（c）单独显示了﹣52。方位上的声强谱，可知主要峰值有400Hz、452Hz和610Hz。图（d）是在方位坐标上分析450Hz噪声分量的情况，表明A、B声源分别对该频率噪声的影响。其中，A声源占总声强的40％，是噪声控制的主要目标。

图9-46 环境噪声的监测与分析