聲級計的正確選擇及應用

作為聲學測量的基本儀器—聲級計，現在已廣泛應用于機器制造、建筑設計、交通運輸、環境保護、醫療衛生以及*等部門，隨著我國噪聲普查與防治和環境保護工作的開展，對聲級計的需求和應用也越來越廣泛。
一．概述
聲級計，又叫噪聲計，是一種按照一定的頻率計權和時間計權測量聲音的聲壓級或聲級的儀器，是聲學測量中的zui基本而又zui常用的儀器。聲級計可以用于環境噪聲、機器噪聲、車輛噪聲以及其他各種噪聲的測量，也可以用于電聲學，建筑聲學等測量，如果把電容傳聲器換成加速度計傳感器，配上積分器，就可以利用聲級計來測量振動。

為了使世界各國生產的聲級計的測量結果互相可以比較，電工委員會（IEC）制定了聲級計的有關標準，并推薦各國采用，1979年5月在斯德哥爾摩通過了IEC 651《聲級計》標準，我國有關聲級計的國家標準是GB3785-83《聲級計電、聲性能及測試方法》。1984年IEC又通過了IEC804《積分平均聲級計》標準，我國與1997年頒布了GB/T17181-1997《積分平均聲級計》。它們與IEC標準的主要要求是一致的。2002年電工委員會(IEC)發布了IEC61672-2002《聲級計》新的標準。該標準代替原IEC651-1979《聲級計》和IEC804-1983《積分平均聲級計》。我國根據該標準制定了JJG188-2002《聲級計》檢定規程。按新的標準將聲級計按用途可分為通用聲級計，積分聲級計，頻譜聲級計等，按精度可分為1級和2級，二種級別的聲級計的各種性能指標具有同樣的中心值，僅僅是容許誤差不同，而且隨著級別數字的增大，容許誤差放寬。按體積還可分為臺式，便攜式，和袖珍式聲級計。按其指示方式可分為模擬指示和數字指示聲級計。

我公司目前的產品有：

.HS各系列聲級計（HS6288型系列分析儀、HS5920型系列數字聲級計、HS5633型系列數字聲級計、HS5618型積分聲級計、HS5660型系列精密脈沖聲級計、HS5670XA型噪聲自動測量系統、HS5670B型積分聲級計、HS5933A型環境振動分析儀、HS5944型振動檢測儀、HS6020/HS6028型聲級校準器、HS5721型倍頻程濾波器和HS5731型1/3倍頻程濾波器等）

.城市環境噪聲遠程監測系統

.多路噪聲自動測試系統

.各類噪聲顯示牌

.各類測試傳聲器

二．聲級計的原理

聲級計一般都是由傳聲器單元、放大分析單元、顯示儀表單元三大部分組成。其工作原理方框圖見圖1



圖1   聲級計原理方框圖
1.傳聲器單元
傳聲器單元由傳聲器和前置放大器組成。傳聲器是將聲信號轉換成電信號的換能器，要求頻率范圍寬、頻率響應平直、失真小、動態范圍大、尤其是穩定性要好。前置放大器起阻抗變換作用，要求具有輸入阻抗高，輸出阻抗低，以便與長延伸電纜連接。
2.放大分析單元
放大分析單元應具有放大器和頻率計權網絡等。放大器電路將來自傳聲器單元的微弱信號進行放大以達到一定幅度，要求有一定的放大量、一定的動態范圍、頻率范圍寬等等，并確保放大器在整個測量范圍內均不失真的反映輸入信號的大小變化，以保證測量的準確性和可靠性。計權網絡是用有電網絡來模擬人耳的響度感覺特性。國家規定了三條曲線對應不同的響度級，其中A計權是模擬人耳對40方純音的響應，B計權是模擬人耳對70方純音的響應，C計權是模擬人耳對100方純音的響應。由于A計權網絡測量的噪聲聲級值較為接近人耳對噪音的感覺，因此在噪聲測量中往往用A聲級來表示噪聲級的大小。有些聲級計中還有D計權，主要是用于航空噪聲的測量。
3．顯示儀表單元
包括檢波電路，指示器電路等。檢波電路是將來自交流放大器的對應于交流信號進行檢波，使直流放大器輸出對應于被測聲級的線性變化的直流電壓。檢波電路有峰值、平均值和有效值檢波電路，聲級測量中，用的zui多的是有效值檢波電路。聲級計測量的結果都是在指示器上指示出來，指示器有模擬指示器和數字指示器兩種。指示電路還應具有“快"和“慢"時間計權特性。
4.濾波器與頻譜分析

對于噪音來說，它是由許多頻率成分組成的。在很多場合，光知道它的總聲級是不夠的，還需要知道它的頻率成分分布，也就是說要知道它的頻譜。我公司HS5721型倍頻程濾波器和HS5731型1/3倍頻程濾波器配合HS5660系列和HS5670系列就是用來進行頻譜分析的。

一般的噪聲分析工作，利用倍頻程濾波器已可獲得較滿意的結果，如我公司的HS6288B型噪聲頻譜分析儀就是把HS6288A型多功能噪聲分析儀和HS5721型倍頻程濾波器相結合, 主機直接就可按預先設定測量方式和倍頻程濾波器中心頻濾自動采樣計算及倍頻程自動掃描測量, 測量結束即可打印頻譜圖及數據。

如果要更精細的對噪聲進行分析，就可選用HS5731型1/3倍頻程濾波器。將濾波器的輸入端接到聲級計的交流輸出端，選擇開關放在“濾波器"位置，就可以用來進行聲音的頻譜分析。操作濾波器選擇相應的中心頻率點，聲級計上顯示就是在此濾波器內通過的噪聲級。將每一個倍頻程噪聲級讀數在相應的頻率坐標上畫出來，就可以得到所分析的噪聲的頻譜曲線。
三．幾種典型聲級計的介紹
　　前面介紹了一般聲級計的組成原理，下面再來介紹一下幾種典型的聲級計。
1.積分式聲級計
　　對于非穩定的噪聲，就要求測量噪聲的等效連續聲級Leq，定義為：在聲場中的一定點位置上，用某一段時間內能量平均的方法，將間歇變化的幾個不同A聲級，以一個A聲級表示該段時間的噪聲大小。
　　積分式聲級計能夠以數字形式直接顯示出某一測量時間內被測噪聲的等效連續聲級。性能應符合IEC804和GB/T17181標準的要求。現以我公司的HS5670B型積分聲級計為例，說明這種聲級計的工作原理。
　　原理圖見圖2所示，主要由傳聲器、前置放大器、頻率計權放大、量程轉換、過載指示電路、對數檢波與直流放大、A/D變換器、微處理器、存儲器、液晶顯示器、按鍵輸入面板、參考校準信號與電源、接口電路等部分組成。

圖2　HS5670B型積分聲級計原理圖
　　.傳聲器：駐極體測試電容傳聲器（HS14423），將聲信號轉換成電信號，具有穩定性好，頻響寬等特點。 
　　.前置放大器：具有高輸入阻抗，低輸出阻抗特性，起阻抗變換作用。
　　.頻率計權放大、量程轉換、過載指示電路：該部分電路是將來自前置放大器的微弱信號進行放大以達到一定幅度，量程轉換電路在微處理器的控制下，保證整個放大器在測量范圍內能不失真的反映輸入信號的大小變化。當信號超過當前量程的測量范圍時過載指示電路自動控制過載燈指示
　　.對數檢波與直流放大：是將來自交流放大器的對應于被測聲級的交流信號進行有效值檢波，并進行一定比例的放大，使直流放大器輸出對應于被測聲級的線性變化直流電壓。
　　.A/D變換器、微處理器、存儲器、接口電路：這幾部分組成了一個完整的單片機系統，微處理器在程序存儲器的控制下，由A/D變換器進行定時采樣，并自動測量，同時將測量結果存于存儲器，經接口電路輸出至打印機或微機。
　　.顯示部分與面板部分： 液晶顯示器能將時鐘、工作方式、測量數據，頻率等測量標記與測量結果顯示輸出，面板部分提供了人工控制界面，根據測量要求，將工作方式、控制信號輸入給微處理器，實現噪聲測量與分析。
　　.參考校準信號與電源：由電池供電（或外接輸入）單一正電壓轉換成所需的正負電壓，負責整機的電源供給。并產生一個參考信號作為內部電路校正。
　　被測聲信號如一般聲級計那樣被接收，經計權、放大、量程電路后，到對數變換器進行對數運算，然后經檢波放大及A/D變換，送到微處理器，微處理器按事先編好的程序和算法公式進行定時采樣，計算出Leq等值，同時將測量結果存于存儲器。結果可通過顯示驅動電路在液晶屏幕顯示出來，也可經RS232C串行接口輸出至打印機，自動打印出測量結果與圖譜。經接口通訊電纜可將測量數據輸出傳輸到計算機中，實現聲壓級Lp實時通訊輸出。
　　HS5670B型積分聲級計不僅能計算等效連續聲級Leq值,還能算出聲暴露級Lae（與單發噪聲發生一次的總能量相等的持續時間為1秒的穩定噪聲級）、標準偏差SD（反映隨時間變化的噪聲聲級的離散度）、噪聲概率統計值Ln（包括L95、L90、L50、L10、L5）、噪聲zui大值Lmax、噪聲zui小值Lmin等，外接濾波器能自動進行1/3及1/1頻譜分析，還能測量飛機噪聲有效感覺噪聲級Lepn和混響時間T60。該機操作簡單、使用方便、可靠性高。
 2．數字式聲級計
　　早期的聲級計是用電表指示測量結果的，發展到現今，大多都是數字式的聲級計。數字聲級計是一種用數字顯示測量結果的聲級計，它不僅具有讀數直觀，準確等優點，同時通過BCD碼輸出可以配合其他分析處理儀器和計算機進行處理。前面的HS5670B型積分聲級計也屬于數字式聲級計，現在在介紹另一款型號的數字聲級計HS6288E型多功能聲級計。原理圖見圖3。
　　HS6288E型多功能噪聲分析儀是一種袖珍式智能化的噪聲測量儀器，它集積分、噪聲統計、噪聲采集等幾種功能于一體，在設計和功能上都有許多創新，能滿足多種測量要求，主要性能指標符合JJG188-2002聲級計檢定規程要求。

 圖3   HS6288E型多功能噪聲分析儀原理圖
　　本儀器具有大屏幕液晶顯示。測量結果可長期保存在儀器內，zui多可以存儲500組單組數據和4組整時數據，通過內置串行接口在現場或事后用微機打印機打印出來或送到計算機中去。
　　本儀器結構緊湊，造型美觀、功能強大、自動化程度高，可用于環境噪聲的測量，也可用于勞動保護、工業衛生及各種機器、車輛、船舶、電器等工業噪聲測量。
 （1）主要技術性能
　　.傳聲器：Φ12.7mm(1/2英寸)駐極體測試電容傳聲器
　　.頻率計權：A、C計權
　　.測量范圍：35dB～130dB（A）  40dB～130dB（C） 
　　.頻率范圍：20Hz～10KHz
　　.時間計權：快（F）、慢（S）
　　.級量程分高、中、低三檔:低檔（35dB～90dB） 
　　中檔（50dB～110dB）參考量程    
　　(70dB～130dB)                  
　　.保持特性：保持zui大有效值
　　.測量時間設定：10s、1min、 5min、 10min、 15min、 20min、1h、8h、24h、24h整時、Man (人工)。時鐘：年、月、日、時、分、秒自動運行。
　　.自動測量功能：瞬時聲級Lp、等效連續聲級Leq、聲暴露級Lae、   統計聲級LN(L5、L10、L50、L90、L95)、標準偏差SD、zui大聲級Lmax、zui小聲級Lmin等
　　.顯示器：大屏幕液晶顯示具有模擬表針、背光源顯示等功能。
　　.輸出接口：交流輸出、直流輸出、RS-232C串行接口。
　　.電源：5節LR6(5號) 高能堿性電池，并設有外接電源插入插孔。
　　.質量：480g

（2）主要功能
.內有日歷時鐘，關機后還可長期準確運行，不用每次開機重新設定。
.測量方式2種：
①單組測量
可測量某組或某個網格點的Lp、Leq、、LN(L5、L10、L50、L90、L95)、SD、Lmax、Lmin等。
②24h整時自動測量
可測量某個點24小時的Lp、Leq、、LN(L5、L10、L50、L90、L95)、SD、Lmax、Ld、Ln、Ldn、Lmin等，每小時測量多少時間可根據用戶從10s～1h任意設定。
.RS-232C接口外接HS4784微型打印機或微機實現測量數據自動打印。
.數據可任意調閱。
.有Batt欠壓指示。
.有過載指示和欠量程指示。
.有模擬表頭顯示功能，每0.5s顯示1次瞬時值。
.可人工設定網格點號。

(3)結構特征

儀器采用塑壓成形的上下機殼，內側噴涂導電漆形成屏蔽層，具有良好的抗電磁干擾性。外形為尖頭，可減少聲反射。主機重量輕、體積小，可手持操作。打開背面電池蓋，能方便裝取電池。

3．脈沖式聲級計
生活中，常會遇到不連續的噪聲，也就是脈沖聲或沖擊聲，如打字機噪聲、沖壓床的噪聲、槍炮等等。這種噪聲持續時間很短，重復出現時間可能很長，甚至在一段時間內只出現一次。用一般的聲級計來測量，就會有很大的誤差，就應當使用脈沖聲級計。我公司的HS5660A型和HS5670型聲級計就能對脈沖聲進行測量。
脈沖聲級計不僅具有一般聲級計的全部功能，同時還有一些特殊的性能，通過電容不同時候的脈動特性來測量出被測信號的有效值，而且具有較高的峰值因數容量，因此能響應持續時間很短及重復比很低的脈沖聲。該儀器還具有“脈沖"和“峰值保持"功能，能將結果在電表上保持住，以便觀察。所以在許多場合可以用來參考測量。
四．影響聲級計選擇的因素

聲級計主要是用來測量噪聲的，而噪聲測量的分類主要有以下幾種：
1.從測量對象來分，可分為環境噪聲( 聲場)的特征測量和聲源特征的測量。
2.從聲源或聲場的時間特性來分，可分為穩態噪聲測量和非穩態噪聲測量。非穩態噪聲又可分為周期性變化噪聲、無規則變化噪聲和脈沖聲等。
3.從聲源或聲場的頻率特性來分，可分為寬帶噪聲、窄帶噪聲和含有突出純音成分的噪音。
4.從測量要求的精度來分，可分為精密測量、工程測量和噪聲普查等。
當然，各種噪聲類別是互相的，在一個類別里還包含著其他類別的內容。 聲級計的選用應當滿足噪聲測量目的、待測噪聲特性、測量環境、測量對象等要求。為幫助用戶正確選用聲級計，表1列出了各種聲級計對噪聲測量諸因素的適應情況，以供參考。 

表1 影響聲級計選擇的因素 ＋表示適用 ○表示可選用 空白表示不適用

五．幾種噪聲測量對聲級計的選用
　　為了統一起見，上及國內都制定了一些噪聲測量的標準，這些標準中不僅規定了噪聲測量的方法，也規定了需要使用聲級計的技術要求，我們可根據這些標準以便更好的來選擇合適的聲級計。
1.聲學—環境噪聲測量
測量方法可按照GB3222-94《聲學 環境噪聲測量方法》
要求測量值有LA、LAeq、LN（L5，L10，L50，L90，L95）、Ld、Ln ，對儀器精度要求為2型以上積分聲級計及環境噪聲自動監測儀器，性能符合GB3785《聲級計電、聲性能及測量方法》的規定。如HS6288B/D/E型噪聲頻譜分析儀，HS5670B型積分聲級計等。

2.城市環境噪聲測量
　　測量方法可按照GB/T14623-93《城市區域環境噪聲測量方法》
　　要求測量值有LA、LAeq、LN（L10，L50，L90）、Ld、Ln，對儀器精度要求為2型以上積分聲級計及環境噪聲自動監測儀器，性能符合GB3785《聲級計電、聲性能及測量方法》的規定。如HS5618型積分聲級計，HS6288B/D/E型分析儀，HS5670型積分聲級計等。
3.工業企業噪聲測量
　　測量方法可按照GB12349-90《工業企業廠界噪聲測量方法》
　　要求測量值有LA、LAeq，對儀器精度要求為2型以上聲級計及環境噪聲自動監測儀器，性能符合GB3785《聲級計電、聲性能及測量方法》的規定。如HS5618型積分聲級計，HS6288B/D/E型系列分析儀，HS5670型精密脈沖聲級計，HS5670B型積分聲級計等。
4.建筑施工場地噪聲測量
　　測量方法可按照GB12524-90《建筑施工場界噪聲測量方法》
　　要求測量值有LAeq，對儀器精度要求為2型以上積分聲級計及環境噪聲自動監測儀器（動態范圍不小于50dB），性能符合GB3785《聲級計電、聲性能及測量方法》的規定。如HS5618型積分聲級計，HS6288B/D/E型系列分析儀，HS5670型精密脈沖聲級計，HS5670B型積分聲級計等。
5.機動車輛定置噪聲測量
　　測量方法可按照GB/T14365-93《聲學 機動車輛定置噪聲測量方法》
　　要求測量值有A計權“快"特性聲壓級Lp，對儀器精度要求1型或2型聲級計，性能符合GB3785《聲級計電、聲性能及測量方法》的規定。如HS5920系列數字聲級計，HS5633系列數字聲級計，ND10型聲級計，HS5618型積分聲級計，HS6288B/D/E型系列分析儀，HS5660A/B/C型精密脈沖聲級計，HS5670系列積分聲級計等。
6.鐵路機車車輛輻射噪聲測量
　　測量方法可按照GB/T5111-95《聲學 鐵路機車車輛輻射噪聲測量》
　　要求測量值有LPAF、還可進行頻譜分析測量，對儀器精度要求為2型以上積分聲級計及環境噪聲自動監測儀器，性能符合   GB3785《聲級計電、聲性能及測量方法》的規定。如HS6288B/D/E系列分析儀，HS5670型精密脈沖聲級計，HS5670B型積分聲級計等。
7.內河航道及船舶噪聲測量
　　測量方法可按照GB/T4964-85《內河航道及港口內船舶輻射噪聲的測量》
　　要求測量值有A計權“快"特性聲壓級Lp，A計權“脈沖"聲壓級Lp, 對儀器精度要求1型或2型聲級計，性能符合GB3785《聲級計電、聲性能及測量方法》的規定。如HS5660A/B/C型精密脈沖聲級計，HS5670精密脈沖積分聲級計等
8.飛機噪聲測量
　　測量方法可按照GB9661-88《機場周圍飛機噪聲測量方法》
　　要求測量值有A計權“快"特性聲壓級Lp，飛機噪聲有效感覺噪聲級Lepn, 對儀器精度要求2型以上聲級計及環境噪聲自動監測儀器，性能符合GB3785《聲級計電、聲性能及測量方法》的規定。如HS5670B型積分聲級計等。
9．噪聲源聲功率級測量
　　測量方法可按照GB/T16538-96《聲學 聲壓法測定噪聲源聲功率級使用標準聲源簡易法》
　　測試儀器使用GB3785中規定的2型或2型以上的聲級，用慢擋測量，聲級計與傳聲器之間使用延伸電纜或延伸桿。如HS5633型數字聲級計，ND10型聲級計，HS5618型積分聲級計，HS6288B/D/E型系列分析儀，HS5660A/B/C型精密脈沖聲級計，HS5670系列積分聲級計，還可使用多路噪聲自動測試系統等。
10.環境振動測量
　　測量方法可按GB10071-88《城市區域環境振動測量方法》
　　要求測量VAL、VL、VLZ、VLZN。測量儀器應符合ISO/DP8041-84中規定的用于測量環境振動的儀器，如HS5933A型環境振動分析儀。
六．聲級計的一般使用方法
　　聲級計使用正確與否，直接影響到測量結果的準確性。因此，有必要介紹一下聲級計的使用。
1.注意事項
　　.使用前應先閱讀說明書，了解儀器的使用方法與注意事項。
　　.安裝電池或外接電源注意極性，切勿反接。長期不用應取下電池，以免漏液損壞儀器。
　　.傳聲器切勿拆卸，防止擲摔，不用時放置妥當。
　　.儀器應避免放置于高溫、潮濕、有污水、灰塵及含鹽酸、堿成分高的空氣或化學氣體的地方。
.勿擅自拆卸儀器。如儀器不正常，可送修理單位或廠方檢修。
2. 靈敏度的校準
　　為保證測量的準確性，使用前及使用后要進行校準。如我公司                 的HS6020、HS6028聲級校準器均符合GB/T15173標準，主要用于傳聲器、聲級計和其它聲學測量儀器的聲壓校準。聲壓壓縮型，穩定性好。電池工作，操作方便。
　　將聲級校準器配合在傳聲器上，開啟校準電源，讀取數值，調節聲級計靈敏度電位器，完成校準。
3．測量方法
　　測量時，儀器應根據情況選擇好正確檔位，兩手平握聲級計兩側，傳聲器指向被測聲源，也可使用延伸電纜和延伸桿，減少聲級計外型及人體對測量的影響。傳聲器的位置應根據有關規定確定。
七．聲級計常用故障的分析和修復
1.顯示器無顯示
(1)  內部電池連線斷開或電池接觸不好：焊好連線，更換電池接觸片。
(2)  電池損壞：更換電池。
2．測量讀數明顯偏低或校準時校不到94.0dB
(1)  傳聲器靈敏度太低或損壞：更換傳聲器并重新校準。
(2)  前置放大器的接點與傳聲器接觸不好：清洗接點
(3)  前置放大器的插頭與主機插座接觸不好：更換插頭插座。
 3．低聲級測量時讀數偏高
　　前置放大器的地線接觸不良：旋緊外套筒。 
八．結束語
　　以上只是簡單的介紹了聲級計的選擇及應用，可能不盡詳細。在實際應用中可能會碰到還未介紹過的情況，但這不要緊，作為專業研制生產環境噪聲（振動）測試儀已達數十年的廠家，企業技術力量雄厚，一定可以為您提供理想的測試儀器、測試方法及測試方案，敬請。