淺析聲級(jí)計(jì)的工作原理及結(jié)構(gòu)

孫可

摘要 ：聲級(jí)計(jì)一般是由傳聲器、信號(hào)處理器及顯示裝置等組成。它廣泛用于環(huán)境保護(hù)、機(jī)械制造、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑設(shè)計(jì)、衛(wèi)生防疫、交通運(yùn)輸及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，研究聲級(jí)計(jì)的原理與結(jié)構(gòu)為了在今后聲級(jí)計(jì)的計(jì)量檢校過(guò)程中用更科學(xué)的方法來(lái)解決遇到的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 ：聲級(jí)計(jì) 頻率計(jì)權(quán) 放大器

一、 聲級(jí)計(jì)的概況

聲級(jí)計(jì)是測(cè)量頻率計(jì)權(quán)和時(shí)間計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的儀器，它能夠把工業(yè)噪聲、生活噪聲和交通噪聲等按人耳聽(tīng)覺(jué)特性近似地測(cè)定其噪聲級(jí)，模擬人對(duì)噪聲的主管感受。它以分貝（dB）作為計(jì)量噪聲強(qiáng)弱的示值單位，聲級(jí)計(jì)又俗稱分貝儀、噪音計(jì)。

在聲測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)量包括聲級(jí)、聲壓級(jí)、頻率以及聲功率、聲強(qiáng)等多項(xiàng)指標(biāo)。尤其以聲級(jí)這一指標(biāo)最為關(guān)鍵，上述描述聲的指標(biāo)除頻率外，均與聲級(jí)有關(guān)或者可又聲級(jí)導(dǎo)出。聲級(jí)計(jì)讀數(shù)是相應(yīng)于全部可聽(tīng)聲頻率范圍內(nèi)按規(guī)定頻率計(jì)權(quán)和積分時(shí)間而測(cè)得的聲壓級(jí)。由于人耳的靈敏度特性聲強(qiáng)的影響很大，因此國(guó)際上采用聲級(jí)計(jì)計(jì)權(quán)特性有A，B，C，D等四種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，用他們測(cè)得聲壓級(jí)分別為“A聲級(jí)、B聲級(jí)、C聲級(jí)、D聲級(jí)”。

二、 聲級(jí)計(jì)的分類：

（一） 按照測(cè)量的內(nèi)容不同分為三類：

1. 測(cè)量指數(shù)時(shí)間計(jì)權(quán)聲級(jí)的常規(guī)聲級(jí)計(jì)

2. 測(cè)量時(shí)間平均聲級(jí)的積分平均聲級(jí)計(jì)

3. 測(cè)量聲暴露級(jí)的積分聲級(jí)計(jì)

（二） 聲級(jí)計(jì)按精度分為1級(jí)和2級(jí)兩種

1. 1 級(jí)聲級(jí)計(jì)的準(zhǔn)確度誤差為±0.7dB。

2. 2 級(jí)聲級(jí)計(jì)的準(zhǔn)確度±1.0dB。

（三） 按照對(duì)電磁兼容的要求分為三組：

1. X組聲級(jí)計(jì)，其標(biāo)稱工作模式是使用內(nèi)部電池，測(cè)量聲級(jí)時(shí)不需要連接其他外接設(shè)備。

2. Y組聲級(jí)計(jì)，其標(biāo)稱工作模式是連接到公共電源上，測(cè)量聲級(jí)時(shí)不需要連接其他外接設(shè)備。

3. Z組聲級(jí)計(jì)，其標(biāo)稱工作模式是要求兩項(xiàng)或更多的設(shè)備，它們都是聲級(jí)計(jì)的重要部件，用一定的方式連接在一起，單獨(dú)的各部件可以使用內(nèi)部電源或者連接到公共電源上。

（四） 按照功能和用途可以分為六種

1. 普通聲級(jí)計(jì)：（指針或數(shù)字式）直接讀瞬時(shí)及最大噪聲。

2. 脈沖聲級(jí)計(jì)：除了具有一般聲級(jí)計(jì)的全部性能，同時(shí)還有一些用于測(cè)量脈沖聲的特殊功能，例如脈沖時(shí)間計(jì)權(quán)特性、高峰值因素容量、輸入及輸出過(guò)載指示等等。

3. 積分聲級(jí)計(jì)：能夠以數(shù)字形式直接顯示出某一測(cè)量時(shí)間內(nèi)被測(cè)測(cè)噪聲的等效連續(xù)聲級(jí)。積分聲級(jí)計(jì)還能顯示聲暴露級(jí)Lax 。

4. 個(gè)人聲暴露計(jì)（劑量計(jì)）：用于噪聲環(huán)境中測(cè)量人們?cè)肼暠┞读康臄?shù)顯式聲學(xué)儀器。

5. 噪聲統(tǒng)計(jì)分析儀：用于環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)，并且進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的聲學(xué)測(cè)量?jī)x器，通常由聲級(jí)計(jì)和處理器兩部分組成。

6. 噪聲頻譜分析儀：通常是一種噪聲的測(cè)量?jī)x器。用于各種工業(yè)噪聲的頻譜分析，還可用于環(huán)境噪聲測(cè)量。

7. 實(shí)時(shí)噪聲/振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)：系統(tǒng)包括雙通道聲學(xué)與振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，四通道噪聲與振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，多通道噪聲振動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)；雙通道聲學(xué)與振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)是由傳感器、信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集器，在基于PC技術(shù)的聲學(xué)振動(dòng)測(cè)試儀器，傳感器采用測(cè)試傳聲器、加速度計(jì)等，即可完成所有的聲學(xué)和振動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目。

三、 聲級(jí)計(jì)的結(jié)構(gòu)及其工作原理

（一） 聲級(jí)計(jì)總體結(jié)構(gòu)組成

聲級(jí)計(jì)一般是由傳聲器、信號(hào)處理器及顯示裝置等組成。信號(hào)處理器包括具有規(guī)定的和頻率響應(yīng)可控的放大器、經(jīng)頻率計(jì)權(quán)的時(shí)變聲壓的平方的裝置、時(shí)間積分器或者時(shí)間平均器。信號(hào)處理器也可以是全數(shù)字的，頻率計(jì)權(quán)、時(shí)間計(jì)權(quán)、平方、時(shí)間積分、時(shí)間平均等功能可全部由計(jì)算機(jī)完成。

（二） 常規(guī)聲級(jí)計(jì)的工作原理及示意圖

圖1所示為常規(guī)聲級(jí)計(jì)的原理示意圖。

傳聲器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為等效的電信號(hào)，現(xiàn)代聲級(jí)計(jì)基本上都是采用12.7mm的電容式測(cè)試傳聲器。由于傳聲器產(chǎn)生的電信號(hào)非常微弱，在處理前需要前置放大器放大。經(jīng)過(guò)頻率計(jì)權(quán)，使聲級(jí)計(jì)的靈敏度像人耳一樣隨頻率變化，以仿真等響曲線，聲級(jí)計(jì)必須具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的A頻率計(jì)權(quán)。頻率計(jì)權(quán)后的信號(hào)經(jīng)放大，由有效值檢波器得出信號(hào)的方均根值，然后以分貝為單位顯示在顯示裝置上。

（三） 聲級(jí)計(jì)主要組成結(jié)構(gòu)概況

1. 傳聲器

傳聲器又稱為話筒，是一種聲電換能器，用來(lái)把被測(cè)聲信號(hào)換成電信號(hào)。在聲級(jí)計(jì)中使用的傳聲器要求它的頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、失真小、動(dòng)態(tài)范圍大、尤其是穩(wěn)定性要好。按照換能原理和結(jié)構(gòu)的不同，傳聲器可分為3種：電動(dòng)式傳聲器、壓電傳器和電容傳聲器。數(shù)字聲級(jí)計(jì)一般使用的是電容傳聲器。電容傳聲器具有頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、靈敏度變化小、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，常用于精密聲級(jí)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)聲級(jí)計(jì)中，也是現(xiàn)在聲學(xué)測(cè)量中運(yùn)用最多的傳聲器。電容傳聲器的特點(diǎn)是內(nèi)阻高，使用的時(shí)候需要用阻抗變換器與的衰減器和放大器匹配，而且需要加極化電壓才能正常工作。

2. 前置放大器

電容傳聲器的缺點(diǎn)是內(nèi)阻比較高，它的電容量一般只是幾十皮法（pF），甚至更低。如果與它了解的放大器輸入電容可以與之比擬，就會(huì)降低傳聲器的靈敏度；如果放大器輸入電阻太低，則電容傳聲器在低頻時(shí)靈敏度會(huì)降低，也就是說(shuō)頻率范圍受到了限制。因此，在聲級(jí)計(jì)中需要使用前置放大器。

3. 放大器

電容傳聲器把聲音信號(hào)變成電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)一般是很微弱的，不足以產(chǎn)生指示數(shù)值，因此需要把放大器把電信號(hào)加以放大。聲級(jí)計(jì)中的放大器要求有一定的放大量、一定的動(dòng)態(tài)范圍、較寬的頻率范圍和小的非線性失真（不大于1%）等等。

4. 衰減器

聲級(jí)計(jì)不僅要測(cè)量微弱信號(hào)，也要測(cè)量較強(qiáng)的信號(hào)，也就是要有較大的測(cè)量范圍，例如要測(cè)量25dB-140dB范圍聲級(jí)。聲級(jí)計(jì)的檢波器和指示器不可能有那么寬的量程范圍，因此要采用衰減器。為了提高信噪比，我們將衰減器分為輸入衰減器和輸出衰減器，輸出衰減器接在第一組放大器和第二組放大器之間，而且在一般測(cè)量時(shí)，使輸出衰減器盡量處在最大衰減位置。衰減器可以采用電容分壓形式，也可以采用電阻分壓形式；可以是串聯(lián)，也可以是T型衰減器。在聲級(jí)計(jì)中一般都采用電阻串聯(lián)形式，這種形式比較簡(jiǎn)單方便，而且由于頻率不高，一般不需要進(jìn)行頻率補(bǔ)償。

5. 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

聲級(jí)計(jì)總共的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)是一組根據(jù)一定要求進(jìn)行頻率濾波的電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)它聲級(jí)計(jì)能夠進(jìn)行聲級(jí)測(cè)量。聲級(jí)計(jì)至少要求有A、B或C三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)中的一種。由于A聲級(jí)應(yīng)用最廣泛，因此聲級(jí)計(jì)中都有A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，有的還具有B計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)和C計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。也有的聲級(jí)計(jì)還具有“線性”頻率響應(yīng)，線性響應(yīng)用來(lái)測(cè)量聲音的聲壓級(jí)（非計(jì)權(quán)聲壓級(jí)）。為了測(cè)量航空噪音，有的聲級(jí)計(jì)還具有“D”計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。

6. 檢波器

為了提高峰值因數(shù)容量和擴(kuò)大指示器直接讀數(shù)范圍，聲級(jí)計(jì)使用了對(duì)數(shù)有效值檢波器。該檢波器利用二極管電流與電壓之間的正向指數(shù)關(guān)系特性，以對(duì)數(shù)方式變換輸入信號(hào)，然后將此信號(hào)放大2倍以上實(shí)現(xiàn)平方，并在整流和時(shí)間常數(shù)變換的部分電路中完成信號(hào)的均方平均，由于輸入電壓和輸出電壓的均方值的對(duì)數(shù)成正比，因此指示器可直接按dB線性分度，對(duì)數(shù)有效值檢波器具有真實(shí)的平方特性和很高的峰值因數(shù)容量，所以檢波特性為真實(shí)有效值。

7. 濾波器

濾波器是一種能讓一部分頻率成分通過(guò)、其余頻率成分衰減的儀器或電路。濾波器一般由四種，即高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器，這種濾波器只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)。高于或者低于這一頻率范圍的信號(hào)不能通過(guò)。

聲級(jí)計(jì)作為聲學(xué)測(cè)量中最基本而又最常見(jiàn)的儀器，用于測(cè)量和分析聲音的聲壓級(jí)或聲級(jí)。它不僅運(yùn)用于應(yīng)用在聲學(xué)理論研究和電聲測(cè)量中，而且已經(jīng)廣泛用于環(huán)境保護(hù)、機(jī)械制造、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑設(shè)計(jì)、衛(wèi)生防疫、交通運(yùn)輸及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，并被列入國(guó)家強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具。進(jìn)一步了解聲級(jí)計(jì)的原理及其結(jié)構(gòu)，能夠用更好的深入理解JJG 188-2002 《聲級(jí)計(jì)檢定規(guī)程》，并且在今后聲級(jí)計(jì)的計(jì)量檢校過(guò)程中用更科學(xué)的方法解決遇到的問(wèn)題。