关于声音的频率特性

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声音的频率描述的是粒子往复运动一个周期的快慢，即它是指每秒钟粒子可周期往复运动的次数。广义的讲，声学研究的范围是从10-4赫兹开始，也就是每秒钟振动10-4次，反过来讲，就是一个周期10000秒，非常非常慢。声学不研究直流，不研究平均流，这一块是力学研究的主要内容，静力学或者动力学研究的是平稳的，变化很慢的。10-4~20赫兹，这个范畴我们叫次声，这是人的耳朵听不到的声，就是变化很慢的声音。实际上人的耳朵对声波的响应范围很窄，是从20赫到20千赫，在这个范围以外，人的耳朵都听不见了，所以在这个范围以内的声波称为可听声，2万赫以上的声叫超声。

次声频段的声波在大气物理、地球物理中都有很多的用处，地震和台风都会产生次声，在几千公里以外，使用很灵敏的声学传感器就能接收到这种信号，然后可以处理，可以定位台风在什么地方，强度的大小这些都可以知道。到了2万赫以上，人的耳朵也听不见了，在超声频段声波可以干什么呢？大家最熟悉的可能是每年我们做体检，都要做B超，就是要用超声波来检测我们人体内有没有病变，有没有什么缺陷；另外，超声还可以检查材料，检查工业上的一些东西；有一种大家很熟悉的动物把超声来作为它的眼睛用，那就是蝙蝠，它发出超声波，然后来探测它前面有没有障碍，随时拐弯，所以蝙蝠用的就是空气里面的声呐。

图1 可听声音的频率范围

而在20~20kHz频率范围内的声音就属于我们熟悉的可听声了。我们之所以仍可以在不是特别吵的环境中进行正常的交流，就是由于声音的频率不同。因此在实际降噪项目中，可以通过对声波频率的分析，得到不同声源对总声压级的贡献，从而找到最主要声源，进而开展噪声控制。

声波的频率分析，首先是将时域声波信号经过傅立叶变换，得到的图2所示的频谱。从图2可知，由声波的频谱图可以精确的知道声音在哪些频率上存在主要峰值，并由该峰值分析得到其主要声源，从而为后续降噪方案的制定得到合理的依据。

图2 某声波的频谱图

然而由于可听声的频率范围20~20kHz，宽达10个倍频程。一方面频率在人耳听感的响应是音调，它也是与声波强度一样，其感受的变化与频率的指数变化相关。20~20kHz约为10个倍频程，其频率分布范围非常广；另一方面从图1分析的频带到4000Hz时，其谱线就已经过密，同时该频段大部分也不需要展现，也无法展现细节。因此对噪声作频谱分析时，一般并不需要每一个频率上声能量的详细分布。通常为方便起见，常在连续频率范围内把它划分为若干个相连的小段，每一小段叫做频带或频程，每个小频带内的声能量被认为是均匀的，然后研究不同频带上的分布情况。根据不同的要求，声学量的分析频率带宽的选择也不一样。大致而言，当分析精度要求高时，分析频带应选用窄频带宽；如果是简单测量，则频率分析带宽可以放宽。实际测量中最为常用的频率分析带宽为窄频带宽、倍频程和1/3倍频程带宽。其中，窄频带宽是恒定频率分析带宽，它的大小由频谱分析仪类型和分析频率上限值确定；倍频程带宽和1/3倍频程带宽为百分比带宽。

倍频程的中心频率f0 与带宽上、下限截止频率fh 和fl 的关系为：

1/3倍频程的中心频率f0 与带宽上、下限截止频率fh 和fl 的关系为：

式中，n 称为倍频程频带数。

在可听声范围内，倍频程是以n=12~43的数值给出，且为3的整数倍；1/3倍频程以n=12~43的数值给出。表1和表2分别是倍频程和1/3倍频程带宽中，各中心频率值与其上、下限截止频率值的对应关系；图3和图4则是某噪声的倍频程和1/3倍频程特性。需要特别注意的是，倍频程或1/3倍频程均是指该频段范围内的声音的总体特性，例如1000Hz的倍频程包含了710Hz~1420Hz频段内的信息，而1000Hz的1/3倍频程仅包含了891Hz~1122Hz频段内的信息。因此，如果是1000Hz的1/3倍频程声压级为891Hz~1122Hz频段内声压级总和；而1000Hz的倍频程声压，它等于710Hz~1420Hz频段内声压级总和；也即是等于800Hz、1000Hz和1250Hz三个1/3倍频程内声压级总和。

表1 倍频程频程带宽中各中心频率值与其上、下限截止频率和频率数

图3 某噪声倍频程

表2 1/3倍频程频程带宽中各中心频率值与其上、下限截止频率和频率数

图4 某噪声1/3倍频程

综合以上分析可以发现，倍频程或1/3倍频程可以看到噪声在各个频段的分布，但无法精确的得到噪声的峰值特性，从而不能精确的判断出声源；而线性频谱虽然可以较为精确的获得噪声的峰值特性，从而得到主要声源的影响，但其谱线数过于密集，较难得到整个频谱的噪声特性。因此在实际降噪项目中，应该是首先将采集到的声信号进行倍频程分析，得到需要降噪的频段，而后将所需的降噪频段进行线性谱分析，得到该频段内的主要声源贡献。

来源：噪声振动控制微信公众号（ID：tyacoustic）