噪声测量之――声级计

空气分子本身固有的不规则运动及相互排斥会形成一个静态的力，这个压力就是大气压。声音是空气分子的振动，振动的空气分子对它通过的截面就会产生额外的压力，这种额外的压力称之为声压。声压比之大气压要小得多得多，一般用声压级来描述声音的大小 , 即把一很小的声压 p0=2 х 10-5 帕作为参考声压，把所要测量的声压 p 与参考声压 p0 的比值取常用对数后乘以 20 得到的数值称为声压级，单位是分贝（ db ）。 分贝 (dB) 是以美国电话发明家贝尔命名的，因为贝的单位太大，因此采用分贝，代表 1/10 贝。分贝的运算不是线性比例的，而是对数比例的，使用分贝描述声音时需要同时给出频率。

　　一、声级计的原理和组成

　　    声级计是噪声测量中最基本的仪器，一般由传声器、前置放大器、衰减器、放大器、频率计权网络以及有效值指示表头等组成。

　　    声级计的工作原理是：由传声器将声音转换成电信号，再由前置放大器变换阻抗，使传声器与衰减器匹配。放大器将输出信号加到计权网络，对信号进行频率计权 ( 或外接滤波器 ) ，然后再经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值，送到有效值检波器 ( 或外按电平记录仪 ) ，在指示表头上给出噪声声级的数值。

　　1 ）传声器是把声压信号转变为电压信号的装置，也称之为话筒，它是声级计的传感器。常见的传声器有晶体式、驻极体式、动圈式和电容式数种。

　　    1.1 动圈式传声器由振动膜片、可动线圈、永久磁铁和变压器等组成。振动膜片受到声波压力以后开始振动，并带动着和它装在一起的可动线圈在磁场内振动以产生感应电流。该电流根据振动膜片受到声波压力的大小而变化。声压越大，产生的电流就越大，声压越小，产生的电流也越小。

　　    1.2电容式传声器主要由金属膜片和靠得很近的金属电极组成，实质上是一个平板电容。金属膜片与金属电极构成了平板电容的两个极板，当膜片受到声压作用时，膜片便发生变形，使两个极板之间的距离发生了变化，于是改变了电容量，位测量电路中的电压也发生了变化，实现了将声压信号转变为电压信号的作用。电容式传声器是声学测量中比较理想的传声器，具有动态范围大、频率响应平直、灵敏度高和在一般测量环境下稳定性好等优点，因而应用广泛。由于电容式传声器输出阻抗很高，因而需要通过前置放大器进行阻抗变换，前置放大器装在声级计内部靠近安装电容式传声器的部位。

　　2 ）放大器

　　    一般采用两级放大器，即输入放大器和输出放大器，其作用是将微弱的电信号放大。输入衰减器和输出衰减器是用来改变输入信号的衰减量和输出信号衰减量的，以便使表头指针指在适当的位置。输入放大器使用的哀减器调节范围为测量低端，输出放大器使用的衰减器调节范围为测量高端。许多声级计的高低端以 70dB 为界限。

　　3 ）计权网络

　　    为了模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏性，在声级计内设有一种能够模拟人耳的听觉特性，把电信号修正为与听感近似值的网络，这种网络叫作计权网络。通过计权网络测得的声压级，已不再是客观物理量的声压级（叫线性声压级），而是经过听感修正的声压级，叫作计权声级或噪声级。

　　    计权（又叫加权）参数是在对频响曲线进行了一些加权处理后测得的参数，以区别于平直频响状态下的不计权参数。例如信噪比，按照定义，我们在额定的信号电平下测出噪声电平（可以是功率，也可以是电压、电流），额定电平与噪声电平之比就是信噪比，如果是分贝值，则计算二者之差。这是不计权信噪比。不过，由于人耳对各频段噪声的感知能力是不一样的，对 3kHz 左右的中频最灵敏，对低频和高频则差一些，因此不计权信噪比未必与人耳对噪声大小的主观感觉能很好的吻哈。

　　    如何将测量值与主观听感统一起来呢？于是就有了均衡网络，或者叫加权网络，对低频和高频都加以适度的衰减，这样中频便更突出。把这种加权网络接在被测器材和测量仪器之间，于是器材中频噪声的影响就会被该网络“放大”，换言之，对听感影响最大的中频噪声被赋予了更高的权重，此时测得的信噪比就叫计权信噪比，它可以更真实地反映人的主观听感。     

　　    根据所使用的计权网不同，分别称为 A 声级、 B 声级和 C 声级，单位记作 dB(A) 、 dB(B) 和 dB(C) 。 A 计权声级是模拟人耳对 55dB 以下低强度噪声的频率特性， B 计权声级是模拟 55dB 到 85dB 的中等强度噪声的频率特性， C 计权声级是模拟高强度噪声的频率特性。三者的主要差别是对噪声低频成分的衰减程度， A 衰减最多， B 次之， C 最少。 A 计权声级由于其特性曲线接近于人耳的听感特性，因此是目前世界上噪声测量中应用最广泛的一种 , 许多与噪声有关的国家规范都是按 A 声级作为指标的。

　　4 ）检波器和指示表头

　　    检波器作用是把迅速变化的电压信号转变成变化较慢的直流电压信号。这个直流电压的大小要正比于输入信号的大小。根据测量的需要，检波器有峰值检波器、平均值检波器和均方根值检波器之分。峰值检波器能给出一定时间间隔中的最大值，平均值检波器能在一定时间间隔中测量其绝对平均值。脉冲声需要测量它的峰值外，在多数的噪声测量中均是采用均方根值检波器。

　　    均方根值检波器能对交流信号进行平方、平均和开方，得出电压的均方根值，最后将均方根电压信号输送到指示表头。目前，测量噪声用的声级计，表头响应按灵敏度可分为四种：

　　   (1) “慢”。表头时间常数为 1000 ms ，—般用于测量稳态噪声，测得的数值为有效值。

　　   (2) ”快”。表头时间常数为 125ms ，一般用于测量波动较大的不稳态噪声和交通运输噪声等。快档接近人耳对声音的反应。

　　   (3) “脉冲或脉冲保持”。表针上升时间为 35ms ，用于测量持续时间较长的脉冲噪声，如冲床、按锤等，测得的数值为最大有效值。

　　   (4) “峰值保持”。表针上升时间小于 20ms ．用于测量持续时间很短的脉冲声，如枪、炮和爆炸声，测得的数值是峰值．即最大值。

　　二、声级计分类

　　    声级计按精度可分为精密声级计和普通声级计。精密声级计的测量误差约为土 1dB ，普通声级计约为土 3dB 。

　　    声级计按用途可分为两类：一类用于测量稳态噪声，一类则用于测量不稳态噪声和脉冲噪声。

　　    积分式声级计是用来测量一段时间内不稳态噪声的等效声级的。噪声剂量计也是一种积分式声级计，主要用来测量噪声暴露量。

　　    脉冲式声级计是用于测量脉冲噪声的，这种声级计符合人耳对脉冲声的响应及人耳对脉冲声反应的平均时间。