声功率测量-标准体系概述

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1、声压、声强、声功率、声能量(级)

1.1 声压和声强(级)

声压为空间中某一点声波扰动后的压强与静止时的大气压强的差值。声压级被定义为10倍的声压有效值平方与基准声压平方之比的以10为底对数，用公式表示为：

其中参考声压p0=2x10e-5 Pa。

声强为某一点上声压与相应质点振动速度的乘积，声强为矢量。声强级被定义为10倍的声强幅值与参考声强之比以10为底的对数，用公式表示为：

其中参考声强I0=1x10e-12 W。

根据声强和声压幅值之间的关系：

我们可以得到声压级和声强级之间的数值关系：

其中特性声阻抗 ，当空气中的特性声阻抗也是取值 时， 声压级和声强级在数值上完全相等。

1.2 声功率和声能量(级)

由于声压(级)和距离声源的远近有关系，因此，声压级并不能用来准确描述声源辐射声波的能力，声功率才是描述声源辐射能力的量。

一个声源辐射出一定的声功率，并因此在空气中形成声压的波动。从因果关系上说，声源辐射的声功率是不受距离影响而改变的因，在某一点测量到的声压是随着距离变化的果。

这类似于光学里的发光器件灯泡，灯泡的亮度(相比于声压)会随着与他的距离而改变，因此不能用亮度来标示灯泡的发光能力，而应该采用如40W、60W这样的功率(类比于声功率)来标示。

声功率是单位时间内通过某一面积的声能，声功率级被定义为10倍的声功率与基准声功率之比的以10为底的对数，用公式表示为：

其中参考声功率W0=1x10e-12 W。

声压级和声功率级的关系可以用下式表示，其中S为测量声压包围的面积。

下表中以点声源为例，给出了在全自由空间、半自由空间以及1/4卦象空间中，声辐射面、对应面积，以及声功率级和声压级的差值。

例如，我们经常看到在暖通空调(HVAC)行业，给出空调机组辐射的声功率级和声压级的频谱数据，两者的差值都是固定在8dB，这就是规定了空调机组安装上半自由空间(或者反射面上方)的测量条件，以及在距离机组1m距离处的测量结果。

声能量级被定义为10倍的被测声源所辐射的单次猝发声或瞬态声的能量(单位焦耳)与基准声能量之比的以10为底的对数，用公式表示为：

1.3 声功率级的用途

噪声源的声功率级有以下几个方面的用途：

—规定条件下噪声发射的标示；
—噪声标示值的验证；
—不同型号和尺寸机器发射噪声的比较；
—与购买合同或规定中的噪声限值的对比；
—降低机器发射噪声的工程应用；
—户内/户外工作场所噪声暴露预测；
—环境噪声预测。

因此，噪声源声功率的测量值只有在确定的条件下，指明所依据的测量标准时才有意义。根据任一基础标准测定的声功率级的数据与得到数据的环境或机器及设备的安装环境基本上无关。这正是用声功率级表征各种类型机器和设备噪声辐射的一个原因。

2、声功率测量标准体系

2.1 标准体系概览

现有ISO标准体系中的声功率测量共有12个标准，分别是ISO3741~ISO3747系列、ISO9614系列和ISO 7849系列。

由于噪声源声功率测量的相关标准比较多，标准体系比较复杂，因此，国际标准化组织又制定了“ISO 3740声学噪声源声功率级的测定  基础标准使用指南”作为声功率测量中选择和使用标准的指导。最近一版颁布的版本为ISO3740-2019。

ISO 3740对应的我国国家标准号为 GB/T 14367，当前最新版本为GB/T 14367-2016(对应于ISO 3740:2010)，目前GB/T 14367的修订已列入计划。

为了理清这些标准的特点和功能，以便于在使用中正确采用，我们从不同的方面来进行分类介绍。

2.2 测量的量和原理

声功率是不能通过直接测量获得，而只能通过其它量的测量，通过计算获得。依据测量的基础量的不同，声功率级测量标准有可以分为以下3个类别：

声压法：

声压法进行声功率测量是最经典和传统，并且也是应用最广泛的方法。ISO 3741~ISO 3747 规定了用声压法进行声功率测量的要求。

除此之外， ISO 9295给出了发射高频噪声(频率范围11.2kHz~22.4kHz，或者16kHz倍频程)的机器设备声功率的4种方法，作为对ISO3741~ISO3744高频部分的补充。ISO 9295主要应用于信息技术和通讯设备的声功率级测量。

声强法：

ISO9614-1~3 规定了用声强法进行声功率测量的要求。采用声源包络表面法向声强获得声功率。声强法测量对测量环境的要求大大降低，可在现场或特定环境中进行。

振速法：

ISO/TS7849-1和ISO/TS7849-2规定了用振速法进行声功率测量的要求，振速法测量只能获得被测声源表面振动辐射的空气声的这部分声功率，这可能不是机器设备辐射的全部的声功率。

在测量环境噪声影响比较大，或者伴随环境的干扰比较大，直接采用声压法和声强法不能准确测量到空气声，或者需求区分出结构振动辐射声的贡献量时，可采用振速法。

ISO/TS 7849属于TS(技术规范)系列，按照国际标准化组织的标准管理规范， TS系列标准需要每3年进行一次评审。ISO/TS7849最新的版本为ISO/TS7849-2009，最近一次复审通过是在2020年。

振速法测量在我国的国标体系中，除了GB/T 16539-2009参照了ISO/TS 7849以前版本的相关技术内容外，尚无与ISO体系对应的国家标准。

2.3 测量的方法

根据确定机器或设备声功率级的声压法、声强法以及振速法三种原理，可以将声功率测量方法归结为以下四种
：
—在强反射环境中，根据空间均方声压确定声功率级(ISO 3741, ISO3743-1,ISO 3743-2)；这种环境中的声功率测量，是直接法中的一种。

—在倍频程频带上比较被测噪声源与经过标定的参考声源的声压级，确定声功率级(ISO 3747)；这种方法通常成为参考声源比较法。

—用包络面测量声源辐射声能量流来确定，采用靠近声源的直接声强测量法(ISO 9614-1~3)，或者在自由场中通过声压平方的测量获得近似的声强(ISO 3744, ISO3745, ISO3746)

—通过测量机器实体表面振动速度，来评估机器实体振动表面辐射的这部分空气声功率。

2.4 测量的精度

对应于不同的测量方法，声功率的测量精度有3级，分别为：精密级(1级)，工程级(2级)和简易级 (3级)。

2.5 测量环境

声功率的测量环境可以分为以下几种：

2.5.1混响场/近似混响场环境：

混响环境下声功率的测量可以采用直接法和比较法两种方法。

在ISO3747(GB/T 16538)中规定了现场混响环境中，采用标准声源的比较法进行声功率测量的方法。这通常是由于声源较大或不可移动，或者由于声源辐射特征受安装环境条件的影响，需要在实际应用条件下进行测量。ISO 6926规定了比较法测量中标准声源的要求和校准方法。

ISO 3741~3743 规定了标准混响室、硬壁室和专用混响室这3种混响场或近似混响环境下采用直接法进行声功率测量方法。

直接法中的声功率根据下式计算得到：

式中Lp为房间内的声压级平均值，A为等效吸声面积，S为房间的表面积，V为房间体积，c为声速，f为频率，C为环境修正。

*在ISO3740-2019的正文表1中规定了小于1%的声源体积要求，而在附录A.1中给出了小于2.5%的声源体积要求。此处以正文中的技术要求为准。

2.5.2自由场/近似自由场环境：

自由场环境中声功率的测量由ISO3744，ISO3745和ISO3746三个标准规定，包括了标准全消声室和半消声室等自由场环境，以及户外、大房间等近似自由场环境。自由场环境的声功率级按照以下公式计算：

式中Lp为测量包络面上的声压级平均值，S为测量包络面的表面积，K的修正值包含3部分，其中K0为环境修正，K1为背景噪声修正，K2为测量环境(自由场)条件修正。这三个修正值并非在所有测量方法中都会出现，并且测量环境的修正值的确定方法在不同测量方法中也有差异。

下图为ATOM软件中自由场声功率测量部分的界面，声功率测量可以选择执行不同的标准，以及测量面等各种参数：

2.5.3一般环境：

采用声强法和表面振速法测量，对测量环境无特殊要求

3、其它声功率测量标准

除了ISO给出的12个声功率测量的基础标注外，前面提到，ISO 9295给出了发射高频噪声的机器设备声功率的4种方法，作为对ISO3741~ISO3744高频部分的补充。这是在基础声功率标准的基础上，针对特定行业和设备的情况提出的补充。

这些标准有：

● ISO 9295:2015声学计算机和办公装置发射的高频噪声的测量 (Acoustics — Determination ofhigh-frequency sound power levels emitted by machinery and equipment)

● ISO7779-2018 声学信息技术设备和电信设备发出的空气噪声的测量 (Acoustics — Measurement ofairborne noise emitted by information technology and telecommunicationsequipment)

● ISO5135:2020 声学在混响室中测定空调终端设备,空调终端单元,阻尼器和调节阀门的噪声功率级别(Acoustics — Determination of sound powerlevels of noise from air-terminal devices, air-terminal units, dampers andvalves by measurement in a reverberation test room)

● ISO8297:1994 声学声压级环境评估用多源工厂声功率级的测定—工程法Acoustics — Determination ofsound power levels of multisource industrial plants for evaluation of soundpressure levels in the environment — Engineering method。

● ISO 7235:2003声学管道消音器的测量步骤插入损失、流动噪声和总压损失Acoustics — Laboratory measurement procedures for ductedsilencers and air-terminal units — Insertion loss, flow noise and totalpressure loss。