浅析声级计的工作原理及结构

孙可

摘要 ：声级计一般是由传声器、信号处理器及显示装置等组成。它广泛用于环境保护、机械制造、医疗卫生、建筑设计、卫生防疫、交通运输及国防等各个领域，研究声级计的原理与结构为了在今后声级计的计量检校过程中用更科学的方法来解决遇到的问题。

关键词 ：声级计 频率计权 放大器

一、 声级计的概况

声级计是测量频率计权和时间计权声压级的仪器，它能够把工业噪声、生活噪声和交通噪声等按人耳听觉特性近似地测定其噪声级，模拟人对噪声的主管感受。它以分贝（dB）作为计量噪声强弱的示值单位，声级计又俗称分贝仪、噪音计。

在声测量的过程中，测量包括声级、声压级、频率以及声功率、声强等多项指标。尤其以声级这一指标最为关键，上述描述声的指标除频率外，均与声级有关或者可又声级导出。声级计读数是相应于全部可听声频率范围内按规定频率计权和积分时间而测得的声压级。由于人耳的灵敏度特性声强的影响很大，因此国际上采用声级计计权特性有A，B，C，D等四种计权网络，用他们测得声压级分别为“A声级、B声级、C声级、D声级”。

二、 声级计的分类：

（一） 按照测量的内容不同分为三类：

1. 测量指数时间计权声级的常规声级计

2. 测量时间平均声级的积分平均声级计

3. 测量声暴露级的积分声级计

（二） 声级计按精度分为1级和2级两种

1. 1 级声级计的准确度误差为±0.7dB。

2. 2 级声级计的准确度±1.0dB。

（三） 按照对电磁兼容的要求分为三组：

1. X组声级计，其标称工作模式是使用内部电池，测量声级时不需要连接其他外接设备。

2. Y组声级计，其标称工作模式是连接到公共电源上，测量声级时不需要连接其他外接设备。

3. Z组声级计，其标称工作模式是要求两项或更多的设备，它们都是声级计的重要部件，用一定的方式连接在一起，单独的各部件可以使用内部电源或者连接到公共电源上。

（四） 按照功能和用途可以分为六种

1. 普通声级计：（指针或数字式）直接读瞬时及最大噪声。

2. 脉冲声级计：除了具有一般声级计的全部性能，同时还有一些用于测量脉冲声的特殊功能，例如脉冲时间计权特性、高峰值因素容量、输入及输出过载指示等等。

3. 积分声级计：能够以数字形式直接显示出某一测量时间内被测测噪声的等效连续声级。积分声级计还能显示声暴露级Lax 。

4. 个人声暴露计（剂量计）：用于噪声环境中测量人们噪声暴露量的数显式声学仪器。

5. 噪声统计分析仪：用于环境噪声监测，并且进行统计分析的声学测量仪器，通常由声级计和处理器两部分组成。

6. 噪声频谱分析仪：通常是一种噪声的测量仪器。用于各种工业噪声的频谱分析，还可用于环境噪声测量。

7. 实时噪声/振动测量系统：系统包括双通道声学与振动测试分析系统，四通道噪声与振动测试分析系统，多通道噪声振动测量分析系统；双通道声学与振动测试分析系统是由传感器、信号调理器和数据采集器，在基于PC技术的声学振动测试仪器，传感器采用测试传声器、加速度計等，即可完成所有的声学和振动测试项目。

三、 声级计的结构及其工作原理

（一） 声级计总体结构组成

声级计一般是由传声器、信号处理器及显示装置等组成。信号处理器包括具有规定的和频率响应可控的放大器、经频率计权的时变声压的平方的装置、时间积分器或者时间平均器。信号处理器也可以是全数字的，频率计权、时间计权、平方、时间积分、时间平均等功能可全部由计算机完成。

（二） 常规声级计的工作原理及示意图

图1所示为常规声级计的原理示意图。

传声器将声信号转换为等效的电信号，现代声级计基本上都是采用12.7mm的电容式测试传声器。由于传声器产生的电信号非常微弱，在处理前需要前置放大器放大。经过频率计权，使声级计的灵敏度像人耳一样随频率变化，以仿真等响曲线，声级计必须具有国际标准化的A频率计权。频率计权后的信号经放大，由有效值检波器得出信号的方均根值，然后以分贝为单位显示在显示装置上。

（三） 声级计主要组成结构概况

1. 传声器

传声器又称为话筒，是一种声电换能器，用来把被测声信号换成电信号。在声级计中使用的传声器要求它的频率范围宽、频率响应平直、失真小、动态范围大、尤其是稳定性要好。按照换能原理和结构的不同，传声器可分为3种：电动式传声器、压电传器和电容传声器。数字声级计一般使用的是电容传声器。电容传声器具有频率范围宽、频率响应平直、灵敏度变化小、长时间稳定性好等优点，常用于精密声级计和标准声级计中，也是现在声学测量中运用最多的传声器。电容传声器的特点是内阻高，使用的时候需要用阻抗变换器与的衰减器和放大器匹配，而且需要加极化电压才能正常工作。

2. 前置放大器

电容传声器的缺点是内阻比较高，它的电容量一般只是几十皮法（pF），甚至更低。如果与它了解的放大器输入电容可以与之比拟，就会降低传声器的灵敏度；如果放大器输入电阻太低，则电容传声器在低频时灵敏度会降低，也就是说频率范围受到了限制。因此，在声级计中需要使用前置放大器。

3. 放大器

电容传声器把声音信号变成电信号，这个电信号一般是很微弱的，不足以产生指示数值，因此需要把放大器把电信号加以放大。声级计中的放大器要求有一定的放大量、一定的动态范围、较宽的频率范围和小的非线性失真（不大于1%）等等。

4. 衰减器

声级计不仅要测量微弱信号，也要测量较强的信号，也就是要有较大的测量范围，例如要测量25dB-140dB范围声级。声级计的检波器和指示器不可能有那么宽的量程范围，因此要采用衰减器。为了提高信噪比，我们将衰减器分为输入衰减器和输出衰减器，输出衰减器接在第一组放大器和第二组放大器之间，而且在一般测量时，使输出衰减器尽量处在最大衰减位置。衰减器可以采用电容分压形式，也可以采用电阻分压形式；可以是串联，也可以是T型衰减器。在声级计中一般都采用电阻串联形式，这种形式比较简单方便，而且由于频率不高，一般不需要进行频率补偿。

5. 计权网络

声级计总共的计权网络是一组根据一定要求进行频率滤波的电网络，通过它声级计能够进行声级测量。声级计至少要求有A、B或C三种计权网络中的一种。由于A声级应用最广泛，因此声级计中都有A计权网络，有的还具有B计权网络和C计权网络。也有的声级计还具有“线性”频率响应，线性响应用来测量声音的声压级（非计权声压级）。为了测量航空噪音，有的声级计还具有“D”计权网络。

6. 检波器

为了提高峰值因数容量和扩大指示器直接读数范围，声级计使用了对数有效值检波器。该检波器利用二极管电流与电压之间的正向指数关系特性，以对数方式变换输入信号，然后将此信号放大2倍以上实现平方，并在整流和时间常数变换的部分电路中完成信号的均方平均，由于输入电压和输出电压的均方值的对数成正比，因此指示器可直接按dB线性分度，对数有效值检波器具有真实的平方特性和很高的峰值因数容量，所以检波特性为真实有效值。

7. 滤波器

滤波器是一种能让一部分频率成分通过、其余频率成分衰减的仪器或电路。滤波器一般由四种，即高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，这种滤波器只允许一定频率范围内的信号通过。高于或者低于这一频率范围的信号不能通过。

声级计作为声学测量中最基本而又最常见的仪器，用于测量和分析声音的声压级或声级。它不仅运用于应用在声学理论研究和电声测量中，而且已经广泛用于环境保护、机械制造、医疗卫生、建筑设计、卫生防疫、交通运输及国防等各个领域，并被列入国家强制检定的计量器具。进一步了解声级计的原理及其结构，能够用更好的深入理解JJG 188-2002 《声级计检定规程》，并且在今后声级计的计量检校过程中用更科学的方法解决遇到的问题。