聲壓和聲功率

聲源輻射功率，從而產(chǎn)生聲壓。聲功率是原因，聲壓就是結(jié)果。

思考下這個(gè)類比，電加熱器將熱量散發(fā)到室內(nèi)，而溫度則是結(jié)果，溫度也是使我們感到冷或熱的物理量。房間中的溫度顯然取決于房間本身、隔熱材料以及是否存在其他熱源。但是對(duì)于相同的電源輸入，加熱器發(fā)出的功率實(shí)際上與環(huán)境無關(guān)。聲功率和聲壓之間的關(guān)系相似。我們聽到的是聲壓，但這是由聲源發(fā)出的聲功率引起的。

我們用傳聲器聽到或測量的聲壓取決于與聲源的距離以及存在聲波的聲環(huán)境（或聲場），這又取決于房間的大小和表面的吸聲性。因此，通過測量聲壓，我們不必量化機(jī)器發(fā)出的噪音。我們必須找到聲功率，因?yàn)榇宋锢砹?span style="font-synthesis: style; font-weight: 600;">基本與環(huán)境無關(guān)，并且是描述聲源的唯一參數(shù)。

什么是聲強(qiáng)

任何振動(dòng)的機(jī)械部件都會(huì)輻射出聲能。聲功率是輻射能量的速率（每單位時(shí)間的能量）。聲強(qiáng)描述通過單位面積的能量流率。在國際單位制中，單位面積為1平方米。因此，聲強(qiáng)的單位是瓦特/平方米。

聲強(qiáng)還提供方向的量度，因?yàn)樵谀承┓较蛏蠒?huì)存在能量流，而在另一些方向上則不會(huì)。因此，聲強(qiáng)既具有幅度又具有方向性，因此是矢量。另一方面，壓力是標(biāo)量，因?yàn)樗鼉H具有大小。通常，我們?cè)诜ň�方向上（相對(duì)于90°）相對(duì)于指定單位面積的強(qiáng)度進(jìn)行測量，聲能流過該單位面積。

還需要清楚的是，聲強(qiáng)是單位面積能量流的時(shí)間平均速率。在某些情況下，能量可能會(huì)來回傳播，這將無法衡量，如果沒有凈能量流，就沒有凈強(qiáng)度。

在下圖中，聲源正在輻射能量。所有這些能量必須通過包圍聲源的區(qū)域。由于聲強(qiáng)是單位面積的聲功率，因此我們可以輕松地測量包圍聲源的區(qū)域的正�？臻g平均聲強(qiáng)，然后將其乘以該面積即可得出聲功率。注意聲強(qiáng)（和聲壓）遵循自由場傳播的平方反比定律。

從圖中可以看出，在距光源2r處，包圍光源的面積是距離r處的面積的4倍。然而，無論距離如何，輻射的功率都必須相同，因此聲強(qiáng)（單位面積的聲功率）必須減小。

為什么要測量聲強(qiáng)

我們可以通過測量聲壓來確定物體的聲功率，但存在實(shí)際困難。盡管聲功率可能與聲壓有關(guān)，但只有在經(jīng)過仔細(xì)控制的條件下，才能對(duì)聲場做出特殊假設(shè)。特殊構(gòu)造的房間（如消聲室或混響室）可以滿足這些要求。傳統(tǒng)上，為了測量聲功率，必須將噪聲源放置在這些房間中。

但是，我們可以在任何聲場中測量聲強(qiáng)，無需做任何假設(shè)，這使得所有測量可以直接在現(xiàn)場進(jìn)行。即使在所有其他機(jī)器或組件都在輻射噪聲的情況下，也可以在單個(gè)機(jī)器或單個(gè)組件上進(jìn)行測量，因?yàn)榉�(wěn)定的背景噪聲對(duì)基于聲強(qiáng)的聲功率測量沒有任何影響。

由于聲強(qiáng)既可以指示方向也可以指示幅度，因此在定位聲源時(shí)也非常有用。因此，可以就地研究復(fù)雜振動(dòng)機(jī)械的輻射方向圖。

聲場

聲場是有聲音的區(qū)域。根據(jù)聲波傳播的方式和環(huán)境將其分類。下面將描述一些例子，并討論聲壓和聲強(qiáng)之間的關(guān)系。僅在下面描述的前兩個(gè)特殊情況下，才確切知道這種關(guān)系。

自由場

該術(shù)語描述了在沒有反射的理想自由空間中的聲音傳播。這些條件在露天環(huán)境中（足夠遠(yuǎn)離地面）或在消聲室中發(fā)生，在消聲室中，所有撞擊墻壁的聲音都被吸收了。自由場傳播的特征是，每次到聲源的距離加倍時(shí)，聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)（沿聲傳播方向）下降6 dB。這只是平方反比定律的陳述。聲壓和聲強(qiáng)（僅幅度）之間的關(guān)系也是已知的。它提供了一種找到聲功率的方法，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3744、3745和3746中對(duì)此進(jìn)行了描述。

擴(kuò)散場

在擴(kuò)散場中，聲音被反射了很多次，以至于它在各個(gè)方向上以相同的幅度和概率傳播。該聲場是在混響室中近似得出的。盡管凈聲強(qiáng)為零，但是存在一個(gè)理論關(guān)系，該關(guān)系將房間中的壓力與單側(cè)聲強(qiáng)Ix關(guān)聯(lián)起來。這是一個(gè)方向上的聲強(qiáng)，忽略了相等且相反的分量。單側(cè)聲強(qiáng)無法通過聲強(qiáng)分析儀進(jìn)行測量，但它仍然是一個(gè)有用的量：通過測量聲壓，我們可以使用聲壓與單側(cè)聲強(qiáng)之間的關(guān)系來找到聲功率。ISO 3741、3743和3747中對(duì)此進(jìn)行了描述。

主動(dòng)和被動(dòng)聲場

聲音傳播涉及能量流，但是即使沒有傳播也仍然存在聲壓。有功聲場是有能量流動(dòng)的聲場。在純粹的無功聲場中，沒有能量流動(dòng)。在任何時(shí)刻，能量都可能向外傳播，但始終會(huì)在以后的瞬間返回。能量就像在彈簧中一樣被存儲(chǔ)。因此，凈強(qiáng)度為零。通常，聲場將同時(shí)具有有功和無功分量。由于無功部分與輻射的功率無關(guān)，因此在現(xiàn)場對(duì)聲功率的聲壓測量（定義不明確）可能是不可靠的。但是，我們可以測量聲強(qiáng)。由于聲強(qiáng)描述了能量流，因此該場的無功分量不會(huì)有任何貢獻(xiàn)。下面是無功聲場的兩個(gè)例子。

管道中的駐波

想象一下，一個(gè)活塞在管的一端激發(fā)空氣；在另一端，有一個(gè)終端使聲波被反射。前進(jìn)波和反射波的組合會(huì)產(chǎn)生壓力最大值和最小值的模式，這些模式會(huì)沿著管道以固定的距離發(fā)生。如果終端完全是剛性的，則所有能量都會(huì)被反射，并且凈強(qiáng)度為零。使用吸收性端接時(shí)，將測量一些強(qiáng)度。駐波也以低頻出現(xiàn)在房間中。

源的近場

空氣非�？拷�源頭，充當(dāng)存儲(chǔ)能量的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。能量循環(huán)而不傳播，其循環(huán)區(qū)域稱為近場。在此只能進(jìn)行用于確定聲功率的聲強(qiáng)測量。并且由于可以靠近信號(hào)源，因此提高了信噪比。

壓力和粒子速度

當(dāng)空氣粒子從其平均位置移開時(shí)，壓力會(huì)暫時(shí)升高。壓力增加有兩種作用：將粒子恢復(fù)到其原始位置，并將擾動(dòng)傳遞給下一個(gè)粒子。壓力的增加（壓縮）和減少（反射）循環(huán)作為聲波在介質(zhì)中傳播。在此過程中，有兩個(gè)重要參數(shù)：表示壓力（相對(duì)于周圍環(huán)境局部的增加和減少）和圍繞固定位置振蕩的空氣粒子的速度。聲強(qiáng)是粒子速度和聲壓的乘積。而且，從下面的變換可以看出，它等效于前面給出的每單位面積功率定義。

在有功聲場中，聲壓和粒子速度會(huì)同時(shí)變化。聲壓信號(hào)中的峰值與質(zhì)點(diǎn)速度信號(hào)中的峰值同時(shí)出現(xiàn)。因此，它們被稱為同相，并且兩個(gè)信號(hào)的乘積給出凈聲強(qiáng)。在無功聲場中，聲壓和粒子速度相位差90°。一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)偏移了四分之一波長。將兩個(gè)信號(hào)相乘得到一個(gè)瞬時(shí)強(qiáng)度信號(hào)，其正弦變化約為零。因此，時(shí)間平均強(qiáng)度為零。在擴(kuò)散場中，壓力和粒子速度相位是隨機(jī)變化的，因此凈強(qiáng)度為零。

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