声强的理论与测量

BK声学与振动

声学测量和声学理论并非总是并行发展，Rayleigh勋爵有影响力的著作《声音理论》的出版奠定了现代声学的基础。声强是该理论的基础，但是，在整整一百年后，才出现一种完全实用的测量声强的方法。




声压和声功率




声源辐射功率，从而产生声压。声功率是原因，声压就是结果。

思考下这个类比，电加热器将热量散发到室内，而温度则是结果，温度也是使我们感到冷或热的物理量。房间中的温度显然取决于房间本身、隔热材料以及是否存在其他热源。但是对于相同的电源输入，加热器发出的功率实际上与环境无关。声功率和声压之间的关系相似。我们听到的是声压，但这是由声源发出的声功率引起的。

我们用传声器听到或测量的声压取决于与声源的距离以及存在声波的声环境（或声场），这又取决于房间的大小和表面的吸声性。因此，通过测量声压，我们不必量化机器发出的噪音。我们必须找到声功率，因为此物理量基本与环境无关，并且是描述声源的唯一参数。




什么是声强




任何振动的机械部件都会辐射出声能。声功率是辐射能量的速率（每单位时间的能量）。声强描述通过单位面积的能量流率。在国际单位制中，单位面积为1平方米。因此，声强的单位是瓦特/平方米。

                               
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声强还提供方向的量度，因为在某些方向上会存在能量流，而在另一些方向上则不会。因此，声强既具有幅度又具有方向性，因此是矢量。另一方面，压力是标量，因为它仅具有大小。通常，我们在法线方向上（相对于90°）相对于指定单位面积的强度进行测量，声能流过该单位面积。

还需要清楚的是，声强是单位面积能量流的时间平均速率。在某些情况下，能量可能会来回传播，这将无法衡量，如果没有净能量流，就没有净强度。

在下图中，声源正在辐射能量。所有这些能量必须通过包围声源的区域。由于声强是单位面积的声功率，因此我们可以轻松地测量包围声源的区域的正常空间平均声强，然后将其乘以该面积即可得出声功率。注意声强（和声压）遵循自由场传播的平方反比定律。

                               
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从图中可以看出，在距光源2r处，包围光源的面积是距离r处的面积的4倍。然而，无论距离如何，辐射的功率都必须相同，因此声强（单位面积的声功率）必须减小。




为什么要测量声强




我们可以通过测量声压来确定物体的声功率，但存在实际困难。尽管声功率可能与声压有关，但只有在经过仔细控制的条件下，才能对声场做出特殊假设。特殊构造的房间（如消声室或混响室）可以满足这些要求。传统上，为了测量声功率，必须将噪声源放置在这些房间中。

但是，我们可以在任何声场中测量声强，无需做任何假设，这使得所有测量可以直接在现场进行。即使在所有其他机器或组件都在辐射噪声的情况下，也可以在单个机器或单个组件上进行测量，因为稳定的背景噪声对基于声强的声功率测量没有任何影响。

                               
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由于声强既可以指示方向也可以指示幅度，因此在定位声源时也非常有用。因此，可以就地研究复杂振动机械的辐射方向图。




声场




声场是有声音的区域。根据声波传播的方式和环境将其分类。下面将描述一些例子，并讨论声压和声强之间的关系。仅在下面描述的前两个特殊情况下，才确切知道这种关系。




自由场




该术语描述了在没有反射的理想自由空间中的声音传播。这些条件在露天环境中（足够远离地面）或在消声室中发生，在消声室中，所有撞击墙壁的声音都被吸收了。自由场传播的特征是，每次到声源的距离加倍时，声压级和声强级（沿声传播方向）下降6 dB。这只是平方反比定律的陈述。声压和声强（仅幅度）之间的关系也是已知的。它提供了一种找到声功率的方法，国际标准ISO 3744、3745和3746中对此进行了描述。

                               
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扩散场




在扩散场中，声音被反射了很多次，以至于它在各个方向上以相同的幅度和概率传播。该声场是在混响室中近似得出的。尽管净声强为零，但是存在一个理论关系，该关系将房间中的压力与单侧声强Ix关联起来。这是一个方向上的声强，忽略了相等且相反的分量。单侧声强无法通过声强分析仪进行测量，但它仍然是一个有用的量：通过测量声压，我们可以使用声压与单侧声强之间的关系来找到声功率。ISO 3741、3743和3747中对此进行了描述。

                               
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主动和被动声场




声音传播涉及能量流，但是即使没有传播也仍然存在声压。有功声场是有能量流动的声场。在纯粹的无功声场中，没有能量流动。在任何时刻，能量都可能向外传播，但始终会在以后的瞬间返回。能量就像在弹簧中一样被存储。因此，净强度为零。通常，声场将同时具有有功和无功分量。由于无功部分与辐射的功率无关，因此在现场对声功率的声压测量（定义不明确）可能是不可靠的。但是，我们可以测量声强。由于声强描述了能量流，因此该场的无功分量不会有任何贡献。下面是无功声场的两个例子。

管道中的驻波



想象一下，一个活塞在管的一端激发空气；在另一端，有一个终端使声波被反射。前进波和反射波的组合会产生压力最大值和最小值的模式，这些模式会沿着管道以固定的距离发生。如果终端完全是刚性的，则所有能量都会被反射，并且净强度为零。使用吸收性端接时，将测量一些强度。驻波也以低频出现在房间中。

                               
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源的近场




空气非常靠近源头，充当存储能量的质量弹簧系统。能量循环而不传播，其循环区域称为近场。在此只能进行用于确定声功率的声强测量。并且由于可以靠近信号源，因此提高了信噪比。




压力和粒子速度




当空气粒子从其平均位置移开时，压力会暂时升高。压力增加有两种作用：将粒子恢复到其原始位置，并将扰动传递给下一个粒子。压力的增加（压缩）和减少（反射）循环作为声波在介质中传播。在此过程中，有两个重要参数：表示压力（相对于周围环境局部的增加和减少）和围绕固定位置振荡的空气粒子的速度。声强是粒子速度和声压的乘积。而且，从下面的变换可以看出，它等效于前面给出的每单位面积功率定义。

                               
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在有功声场中，声压和粒子速度会同时变化。声压信号中的峰值与质点速度信号中的峰值同时出现。因此，它们被称为同相，并且两个信号的乘积给出净声强。在无功声场中，声压和粒子速度相位差90°。一个相对于另一个偏移了四分之一波长。将两个信号相乘得到一个瞬时强度信号，其正弦变化约为零。因此，时间平均强度为零。在扩散场中，压力和粒子速度相位是随机变化的，因此净强度为零。

                               
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