本文為聲功率與聲強系列文章的第四部分，主要介紹基于聲強測量的聲功率測定方法及應用。

1、基于聲強測定聲功率

為了利用包絡面法由聲強確定聲功率，首先需要定義一個包絡聲源的測量面。選擇的測量面必須確保測量面內(nèi)沒有其他聲源或吸聲。

為了確定穿透測量包絡面的聲能量，在垂直于預定義的測量面上若干點處測量聲強，并在表面上做空間平均。空間平均有兩種方法：連續(xù)掃描法和離散點測量法。

連續(xù)掃描法

探頭在測量表面上像刷油漆一樣勻速循環(huán)移動。在掃描過程中連續(xù)測量聲強，平均時間為整個掃描所需的時間，這就得到了整個表面的平均聲強。表面的聲功率可以通過平均聲強乘以測量表面的面積計算得到。最后將各局部表面的聲功率相加，得到總聲功率。詳細的掃描方法在國標ISO 9614-2和ISO 9614-3中有描述。

離散點測量法

在進行離散點測量時，將測量面分成若干小單元，每個小單元上通過單點測量確定聲強。為方便測量，通常使用線繩來劃分網(wǎng)格單元，這樣可以保證測量點到聲源的距離以及各測點之間的距離。每個測量點的聲強做時間平均，然后乘以面元面積得到該面元的聲功率。總聲功率由所有面元聲功率相加得到。國標ISO 9614-1描述了離散點聲強測量的細節(jié)。

兩種方法的優(yōu)缺點

這兩種測量方法各有利弊，哪種方法更合適取決于具體的測量應用。理論上，連續(xù)掃描法測點更多，因此通常能提供更精確的測量結(jié)果。但是，這種方法需要一定的經(jīng)驗，例如，需要以恒定的速度移動探頭，并均勻掃描整個測量表面。另一方面，離散點測量方法通常更容易實現(xiàn)，并且可以更好地保證結(jié)果的一致性。

背景噪聲的影響

聲強法測定聲功率的主要優(yōu)點之一是穩(wěn)態(tài)、非相干背景噪聲不會對測量結(jié)果造成影響。在聲強測量中，背景噪聲會對被測物體的一側(cè)產(chǎn)生正的貢獻。然而，由于背景噪聲會從被測物體另一側(cè)的測量面流出，該一側(cè)的貢獻為負。因此，當包絡面疊加時，背景噪聲的影響將會被抵消。對于背景噪聲源不在測量面內(nèi)的情況，對整個包絡面進行積分，理論上可以完全消除背景噪聲的影響。當然，這只適用于背景噪聲相對恒定且在測量期間沒有顯著變化的情況。

此外，測量面內(nèi)的物體不能對背景噪聲造成吸聲，否則流出部分將明顯小于流入部分。因為聲壓是一個標量，所以基于聲壓測量的聲功率測試不能提供這種補償，只有借助聲強的矢量特征，才能區(qū)分正分量和負分量。

2、聲強的測定

聲強作為一個矢量，包含了能量流的大小和方向。通常需要測量垂直(即以90°角)通過測量面的聲強。矢量聲強無法直接測量，需要同時測量聲壓和粒子速度間接得到。

聲壓和粒子速度

聲強是單位面積的時間平均能量流或聲功率。在平面波聲場中，聲強是聲壓與粒子速度乘積的結(jié)果：

(聲壓和粒子速度的乘積得到瞬時聲強，需要在時間上或不同測點間平均得到單值。)使用合適的麥克風可以很容易地記錄聲壓，但粒子速度的測量卻相當復雜。

3、粒子速度測量

聲強作為一個矢量，包含了能量流的大小和方向。通常需要測量垂直(即以90°角)通過測量面的聲強。矢量聲強無法直接測量，需要同時測量聲壓和粒子速度間接得到。

PU探頭

有兩種類型的探頭可用于測量粒子速度。第一種就是所謂的PU探頭，可以直接測量得到聲壓和粒子速度。粒子速度傳感器由兩根緊挨在一起的非常細的導絲組成，導絲通過電流進行加熱。粒子速度會引起兩根導絲溫度的差異，進而造成導絲電阻的變化，間接測量即可得到粒子速度。同時探頭內(nèi)裝有一個麥克風來測量聲壓。

PP探頭

第二種是壓力梯度探頭，也叫PP探頭，通過彼此靠近的兩個麥克風來測量聲場中兩個不同點的聲壓。兩個聲壓值通過線性近似確定聲壓梯度，進而通過聲壓梯度確定粒子速度。

根據(jù)聲壓梯度測定粒子速度

壓力梯度是對當前聲壓在一段距離內(nèi)變化的度量，可以通過兩個距離接近的麥克風進行線性近似：

已知壓力梯度，可以通過歐拉方程計算粒子速度。歐拉方程是萊昂哈德·歐拉（Leonhard Euler）建立的數(shù)學模型，用來描述無摩擦彈性流體的流動。根據(jù)歐拉方程，對于密度為ρ的介質(zhì)，其速度可以由壓力梯度積分得到：

粒子速度計算值適用于A點和B點的中心，即兩個麥克風的中心。同時這個位置的聲壓通過位置A和位置B的聲壓平均計算得到：

粒子速度與聲壓乘積的時間平均結(jié)果為A點與B點中心的聲強 I：

聲強既可以在頻域也可以在時域中計算得到。

用于測量聲壓梯度的一對麥克風相位必須高度匹配以保證測量精度。此外，也可以通過相位校準的方法來校正兩個傳聲器的相位差。

PP探頭的方向特征

當用PP探頭測量聲強時，必須考慮探頭的方向特性。即使探頭使用無指向性麥克風，它記錄的聲壓并不具有方向性，用探頭測量的聲強也取決于聲音到達探頭的方向。這是由于聲強結(jié)果受使用的計算方法和探頭設計的影響。當聲音從90°方向(相對于兩個麥克風的軸線)入射時，兩個麥克風同時探測到聲壓波動，探頭兩個麥克風之間沒有壓力差。因此，計算出的粒子速度為零，由此計算出的聲強也為零。如果聲音入射方向與探頭軸線重合(聲入射角度為0°)，則測量完整的聲強。對于其他聲入射角度θ，與聲音0°入射角相比，聲強會以因子cosθ降低，PP聲強探頭的方向特性也被稱為余弦特性。因此，需要匹配麥克風的軸線與測量面法線對齊的方式進行測量。

間隔塊

對于大多數(shù)PP探頭，麥克風以面對面形式組合，兩支麥克風通過間隔塊隔開。通常探頭會附帶幾個不同長度的間隔塊，間隔塊的長度影響探頭可以記錄的頻率范圍。間隔塊越短，截止頻率上限越高，間隔塊越長，截止頻率下限越低。圖6顯示了三種不同長度間隔塊可用頻率范圍的參考值，實際可用的頻率范圍還取決于兩個匹配麥克風的相位響應程度。此外，通過探頭的設計優(yōu)化，也可能會增大其頻率范圍 (具體的頻率范圍參考制造商的技術(shù)規(guī)格)。

4、聲強云圖的應用

有針對性地改善聲輻射特性

檢查一臺復雜機器的聲輻射特征，定量地確定各個部件的噪聲貢獻，從而可以采取有針對性的改進措施。比如，可以避免耗時的“trail&error試錯”的方法，有針對性地修改對整體發(fā)出的聲能量貢獻最高的部件。因為聲強測量可以在原位進行，是一種非常適合用于問題排查的方法。反之，如果要通過聲壓測量確定一臺機器單個部件的貢獻，就必須隔絕其他部件，例如通過用隔音材料封裝的方法，這在某些應用中幾乎是不可能的，或者會使測量變得非常復雜。

聲強云圖

為了有效地降低噪聲，聲源的定位和識別就顯得尤為重要。聲強為聲源定位和識別提供了幾種方案，使用聲強云圖，可以在被測對象的圖像上通過不同顏色顯示聲強值。

跟聲強法測定聲功率類似，可以使用測量網(wǎng)格來測量不同等距點的聲強，測量值存儲并疊加顯示在測試對象圖像上。通過這種可視化云圖，用戶可以輕松地識別關鍵發(fā)聲部件，有針對性的對其進行優(yōu)化。也可以在近場進行聲強測量，從而提高分辨率和信噪比。

5、測試過程中需要注意的問題

1. 在用PP探頭測量聲強之前，必須對探頭麥克風進行幅值和相位校準，只有這樣才能保證可用的測量結(jié)果。

2. 為了獲得可靠的結(jié)果，測量聲強的平均時間必須足夠長?？梢酝ㄟ^多次測量進行檢查，如果多次測量的結(jié)果相當，則說明平均時間足夠長，如果結(jié)果相差較多，則應該增加測量平均時間。

3. 為了正確測定聲功率，測試過程中必須使聲強探頭麥克風的軸線垂直于測量面。

4. 使用掃描法時，必須注意勻速移動探頭掃描整個表面；在使用離散點法測量時，必須保證足夠多的測量點數(shù)量。

5. 測量點的數(shù)量由測量面上聲強的變化程度決定，變化越多，需要的測量點就越多。

6. 測量的背景噪聲必須足夠平穩(wěn)?？赡艿脑?，可以在實際測試對象不運行時對背景噪聲進行測量，進而評估背景噪聲的貢獻。也可以通過減小測量面，使測量距離更接近測試對象的方式將背景噪聲的影響降至最低。

7. 間隔塊的長度影響探頭的頻率范圍，因此必須針對應用選擇合適的間隔塊。間隔塊越短，截止頻率上限越高；間隔塊越長，截止頻率下限越低。