声强测试技术及降噪处理

宋晓

【摘 要】声强是矢量，克服了传统的声压测量法不能确定声源的方向和位置，对测试条件要求严的缺点，可利用被丢失的声压相位信息，全面描述辐射声场的声学特性，便于声源定位。同时，还可以排除噪声源近场效应产生的干扰，不受测量环境的限制进行现场测量。因此，声强测量在工程中得到了广泛的应用。本文的主要工作就是根据声强测试原理编写出声强测试程序，并在声强计算的同时进行信号降噪处理，将声强测试理论与工程实践相结合。

【关键词】声强；降噪；测试

中图分类号： TK417.125 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.015

【Abstract】The sound intensity is a vector， which overcomes shortcomings of inability to determine the direction of the sound source and strict requirements on the test conditions by traditional sound pressure measurement. It can use the lost sound pressure phase information， fully describe the acoustic properties of the radiation sound field and locate the sound source. At the same time， the interference generated by the near-field effect of the noise source can also be eliminated， and the measurement environment is not limited. Therefore， sound intensity measurement has been widely used in engineering. The main work of this paper is to make a sound intensity test program based on the sound intensity test principle， and to perform signal noise reduction processing while calculating， this combines sound intensity test theory with engineering practice.

【Key words】Sound intensity；Noise reduction；Measurement

聲强是衡量声场中的声能流。更准确地说，声强是一个矢量，定义为通过与能流垂直方向上的单位面积的声能量的时间平均值。声强表示为每单位面积单位时间的能量（W/m2）[1]。声压和质点速度的乘积是一个矢量，表示单位面积瞬时声能流量的大小和方向，故瞬时声强可写成

由于声强[2]是矢量，测量环境对它影响不大，可以更好的进行声源定位。相反，测量声场的声压来分析声源，对声场依赖性很强，对测试条件要求很高。在工程测量中，声强测量越来越发挥出了重要作用，已经成为噪声测量的一个重要手段。

1 声强测量基本原理

由声强[3]的定义可知，声强测量主要是测声压和粒子速度。其方法可以分为两类：一类是将传声器和直接测点速度的传感器相结合，可简称为p-u法。另一类是双传声器法，简称为p-p法。[4]

1.1 p-u法

一个p-u声强测量系统结合了两个根本不同类型的传感器。声强可以简单看作瞬时声压和粒子速度信号的乘积的时间平均值。声压的测量比较容易，在探头中心装有麦克风即可测出声压。粒子速度的测量需要两对超声波发射器，可同时发射两个平行的而方向相反的超声波束，并在等距离处有各自的接收器。在同向上传来音频信号时，两个接收器所接收到的信号就存在相位差，这样就通过相位差把质点速度测出。质点速度的具体计算如下所示。

设超声波的发射器和接收器之间的距离是d，则在没有声波时超声波由发射到接受所经历的时间为t0=d/c。若存在声波，其质点速度为u，则两个超声波束所历的时间各自变成t1=d/（c+u）和t2=d/（c-u），其相位差为

2 声强的频域分析法

我们通常采集的都是声压的瞬时信号，而对于控制分析中，平频域中的谱分析往往比时域分析重要，所以我们就需要声强测量仪器来将测到的时域信号转变为频域中的声强分布。

3 声强测试系统

如今，声强测量已在工程中广泛应用，各种声学软件都带有声强测试模块，才有商业软件可以快速方便得实现声强测量，但无法深入理解声强测量技术的原理，本文编写一套声强测试系统，该套软件系统模块清晰，备注简明，有着很好的开放性，可随时对其修改和完善。总体基于信号采集理论，在采集过程中实时分析计算，每一时刻都将最新的数据展示在用户面前，同时导出模块还可以进行复杂的后续分析，使软件的使用功能进一步增强。

由于该套只有在和硬件平台相结合才能发挥作用，要想验证该声强软件编写的正确性，需要进行仿真验证，可以通过修改软件模拟了采样，并验证了该系统的精确度，探究了其工程意义。

基于平面波的理想声场进行验证该程序，模拟1000Hz声压幅值为1Pa的平面波。基于声学公式可求得精确解：

PA=PB=1Pa（90.9677dB），I=90.67525dB

根据该软件求得的解：

PA=PB=90.9691dB，I=90.5165dB

可见，该程序可以精确的模拟平面波声场，说明该仿真程序具有较高的精度。

4 基于相关函数的噪声去除

实际的声场往往包含复杂的噪声信号，所以在采集前进行去噪处理尤为重用，本章就介绍了一种基于自相关函数的去噪方法并进行了仿真验证。

4.1 去噪算法设计

从上面分析我们可以看出，只要对周期信号取自相关，得到函数也具有周期性，且与原信号周期相同。这样就可以提取包含噪声信号的有用信号频率。

4.2 声强去噪系统设计

声强去噪系统加入了有用信号的频率识别和窄带滤波去噪：

定义一个1Pa的1000Hz单频信号叠加一个白噪声信号，通过该软件可以精确识别出频率为999.955Hz，其中去噪后声强为91.1341dB，和理论解90.67525dB相比，较为准确。

因为该信号采样为模拟，没有考虑到窗函数和泄露问题，但保留了周期的峰峰值，不是标准的周期信号，但不影响识别。

5 结论

本文从最基本的声强理论入手来探讨声强测量的本质含义，详细介绍如何编写声强测试程序，将理论上升为实践，来说明该方法的工程可行性。最后又介绍了一个简单的去噪技术，该技术可以在声强计算前进行噪声去除，该部分是声强测试工程实际相结合的重要一环。

【参考文献】

[1]刘起元，许国贤，胡长战等.声强测量技术在汽车噪声控制中的应用[J].汽车工程，1992，14：86～93.

[2]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础[M].第2版，南京：南京大学出版社，2012.

[3]马大猷，沈濠.声学手册[M].北京：科学出版社，1983.

[4]蒋孝煜，连小珉.声强技术及其在汽车工程中的应用[M].北京：清华大学出版社，2001.