聲學測量
正文
研究聲學測量技術的科學。歷史 17世紀初就有人嘗試測量空氣中的聲速。直到18世紀聲學測量只是在測量聲速方面做了一些工作，19世紀中雖在空氣中聲速的測定、調音頻率的確定、質點速度的測定和音色的觀察等方面取得了進展，但還屬起步階段，真正的聲學測量工作是在20世紀初由於電學線路和無線電技術的發展而開始發展的。先發明了用瑞利盤測定平面行波中的質點速度，從而建立了聲壓的測量，用光干涉法測量聲強等一些測量方法。後又發明了熱致發聲器等標準聲源，特別是電容傳聲器和互易校準的發明，室內自由聲場──消聲室的建立，以及各種聲學測試儀器如聲級計、聲分析儀等的問世，使聲學測量進入了新階段，到60年代，已發展得比較完善，基本上解決了各聲學量的測量，建立了空氣中和水中的聲壓基準及有關的標準測量方法。近年來聲強和聲功率的測量有了新發展，聲學測量正在實現自動化，帶微處理機的聲學測量儀器也已出現，這表明聲學測量已邁進現代聲學的行列。
聲學中的基本量 在聲學中，或描述一聲源及其產生的聲場的特性，或在某些聲學現象、效應中起主導作用的一些量,為聲學中的基本量。表1所列為這些基本量及其相互關係。在前四個量中，聲壓是最容易測量的，而且可以量得很準確，另三個量又能由聲壓導出，因此，過去一直誤認為只有聲壓才是聲學中的基本量。實際上，當聲場不是自由場時，其他三個量與聲壓間不存在一個簡單的關係，另外有不少聲學效應（例如超聲效應）並不直接只與聲壓有關，而與聲能量或聲強等有關。對某一聲學問題選用哪個基本量來描述應視具體情況而定，因此所有這些聲學量在聲學測量中都是很重要的。
聲學測量Lp＝20lg(p/p0)，
基準聲壓在空氣中為 20μPa，水中為1μPa。對於一個聲壓值，不同的基準值給出的聲壓級是不同的，故在講聲壓級的同時一定要說明所用的基準聲壓值。人們實際感覺到的或要處理的聲音大部分不是純音，而是具有頻譜特性的噪聲，對於這類聲則常用某一有限頻帶中聲能的有效聲壓級來表示，稱為頻帶聲壓級。最常用的頻頻寬度有
倍頻程和
倍頻程頻寬。當評價機器或設備產生的穩態或非穩態噪聲時，一般用A計權聲壓級（簡稱A聲級），也可用B或C聲級,這是用A或B、C頻率計權網路測得的有效聲壓級,A、B、C頻率計權特性分別是響度級40、70、100方等響線的反曲線,測量這類聲級的專用儀器為聲級計。由多聲源組成的、能量分布隨時間變化的如環境、交通等這類噪聲，則用累積百分聲級和等效聲級來表示，累積百分聲級 
是在規定時間T內有N％時間的聲級所超過的那個A聲級,等效聲級是某規定時間T內A聲級的能量平均值。當評價飛機噪聲時則用感覺噪聲級，這是以40dB等噪線的反曲線為頻率計權測得的聲級，也稱作 D聲級。常用的聲級還有平均聲級、評價聲級、暴露聲級等等。總之對某種類型的聲和噪聲，應使用能表征其特性的某種聲級來表示，這是必須注意的；若不加任何說明，只說聲級,則一般應理解為是指A聲級。聲強、聲功率以及其他聲學量用級表示時，與聲壓級相同。表2所列為常用聲級的名稱、符號和單位。 
聲學測量
聲學測量
1 時，常數D＝Rθ＝1，即在低頻時M＝Mp＝Md，這樣就可以在低頻時用聲壓校準的方法獲得自由場靈敏度值。在實際中自由場靈敏度是最有用的，而聲壓校準比較方便且準確度高。表3中列出了校準傳聲器和水聽器常用的方法。 活塞發聲器是利用一已知振動頻率和位移的往復活塞，在一剛性密閉腔內產生可以計算的聲壓，以校準傳聲器。若在密閉腔內充以液體媒質，則可用於校準水聽器。靜電激勵器主要是一柵狀的輔助電極，它將已知靜電力加到傳聲器膜片（金屬的或塗以金屬的）上，以校準傳聲器，此方法特別適用於測量電容傳聲器聲壓靈敏度的頻響特性。振動液柱法和密閉腔補償法是兩種被國際電工委員會 (IEC)列作校準水聽器聲壓靈敏度的標準方法。前者是一個充以液體的圓筒狀的開口容器，在激振器驅動下，容器內的液柱隨容器作整體垂直振動，從而在液柱中獲得一已知聲壓以校準水聽器；後者是用一能產生已知聲壓的補償換能器，補償並由此確定聲源在密閉腔中產生的聲壓來校準水聽器，根據補償換能器的結構形式不同，又分為電動補償法和壓電補償法。
聲學測試環境 在聲學測量中需要有一個符合測量要求的測試環境，才能得到預期的結果。測試環境的聲學性能的好壞直接與測量準確度有關，故選擇或建立一個符合要求的測試環境是聲學測量中一個十分重要的問題，最常用的聲學測試環境為自由場和擴散場。
自由場 通常的聲學測量都要求在自由場中進行，這是均勻各向同性媒質中邊界影響可以不計的聲場。它可以是人工建造的室內自由場如消聲室，在水中則為消聲水池或水槽；也可利用合適的自然環境以獲得室外自由場。
消聲室雖能得到接近理想的自由場條件，但造價昂貴，一般難以建造。利用自然環境條件來獲得自由場是一個實用和有效的方法。實際上一個具有足夠大的空間的廣場或田野，當將聲源和傳聲器置於離地面足夠高的地方如鐵塔上或懸掛於空中時，就能得到很好的自由場測試條件。同樣，像湖泊、海灣、港口、水庫等天然水域,只要有足夠大的開闊度和深度,都可用作自由場。在這類室外自由場中測試時，應當注意氣象條件對測試結果的影響。
在有限空間測試電聲器件或換能器聲學性能時，還可用脈衝聲技術，在時間上將來自邊界的反射聲與直達聲分開，以獲得自由場條件。這種脈衝聲技術在水聲測量中用得很普遍。
半消聲室或一個反射面上方的自由場，是近年來被廣泛使用的一種聲學測試條件。當聲源或傳聲器置於其中具有反射特性的地面上時，則在其上方的半空間中就能獲得如上所述的自由場條件。
擴散場 這是能量密度均勻，在各個傳播方向作無規分布的聲場。符合此要求的實驗室稱為混響室。
聲強測量 在聲頻範圍內，測量聲強以往一直是通過測量自由場平面波條件的聲壓及用其與聲強的關係計算得到，對於其他聲場條件下的聲強則無法測量。在過去雖曾先後發明過一些企圖直接測量聲強的方法，但均因缺乏實用價值而未被採用。70年代以來，由於數位技術和微處理機套用的發展，一些能直接測量聲強的實用的儀器設備，如聲強計、實時聲強分析儀等已陸續問世（見聲強儀）。用這些儀器測量聲場中某點聲強的原理是，通過測量該點附近相鄰兩點的聲壓，以其聲壓和之半即平均聲壓近似地表示該點的聲壓，聲壓差即聲壓梯度近似地表示該點的質點速度，再求其乘積和對時期求平均。此方法的主要誤差來源是上述二近似表示造成的，此與兩點的間距Δr 和圓波數k 有關。 例如用兩個直徑12mm的傳聲器組成的聲強測量探頭，當其間隔Δr＝6mm時，其測量誤差在頻率高於10kHz或低於400Hz時，將大於 1dB。這說明這種聲強測量儀器不適用於超聲聲強的測量。
對於液體中超聲聲強的測量，常用的方法有量熱法和光學法等。
量熱法的測量原理是用易吸收聲能的固體材料如石蠟等製成的小球作為聲強測量探針的敏感元件，當將它置於聲場中時，小球吸收的聲能轉化為熱，使其溫度升高，用熱敏電阻或溫差電偶等器件測出其溫度變化而得到聲強。由於敏感元件、測溫器件等的靈敏度低及穩定性差，適宜於測量較大的聲強值，另外此法測得的是一定時間內的平均聲強。
光學法是利用超聲光致衍射現象以測量透明液體媒質中的平均聲強。有聲波存在時，媒質的密度ρ 在空間形成周期性變化，構成一相位光柵，當光線與聲波垂直相交時，就產生光衍射現象,此時超聲聲強I與光衍射條紋變化有如下關係
目前還有用光全息術測量由聲輻射壓力使自由液面隆起的程度以確定超聲聲強，此法測量聲強的範圍約為3～3000W/m2（即0.3～300W/cm2）。
聲功率測量 聲源的聲功率W的測量,一般在自由場中進行，通過測量包絡聲源的封閉曲面S上的聲強I，由公式
計算得到。為了測量和計算的方便,實際上此測量表面S常取作以聲源為中心的球面,或其他具有一定對稱性的，如矩形六面體等測量表面，並將積分簡化成求和的形式，即把測量表面分成幾個小面積ΔSj，測得此小面積上的平均聲壓 pj，就得到聲源的聲功率：
。在半自由空間中測量時，除測量表面應取成半球面外，其他做法與上述的相同。 聲源的聲功率也可在擴散場 (如空氣中的混響室或水中的混響水池)中測量，此時其聲功率為:
此處捖為混響室中聲源產生的均方聲壓，A為混響室的吸聲量，ρс為媒質的特性聲阻抗。看來此法要比自由場法簡單而方便,對一混響室來講,A、ρс均為常數,故只要測量混響室中幾處的聲壓,以求得捖就能得到聲功率值。 國際標準化組織 (ISO)近年來制定了在各種聲學測試環境（如消聲室、混響室、反射平面上的自由場等）下，以不同準確度(精密、工程、簡易等)要求，測定空氣中噪聲源聲功率級方法的一系列國際標準(ISO3740～3746)。用這些方法，可以測定
倍頻帶、倍頻帶和A聲功率級，測量準確度從0.5～5dB。 噪聲源聲功率級的測定，還可用與標準噪聲源比較的方法得到。標準噪聲源是一個已用標準方法測定聲功率級的標準聲源，它能在大於100Hz～10kHz的頻率範圍內產生寬頻穩定噪聲，在此頻段內，各
倍頻帶聲功率級間的偏差應小於±3dB。標準噪聲源有電動式、風扇式和打擊式等幾種結構。 上述測量方法與聲強測量相同，一般只適用於聲頻範圍。對於超聲頻範圍的超聲聲功率的測量，常用的有聲輻射壓力法、量熱法和光衍射法等數種。
聲輻射壓力法是用聲輻射計來測定超聲功率，測量範圍能從幾微瓦到幾十瓦。
量熱法是利用液體吸收超聲源輻射的聲能轉化為熱，測量液體上升的溫度來確定超聲聲功率。一般有三種方法：①瞬時法，即直接測量液體吸收聲能引起的溫度升高值；②穩流法，使液體穩速流動，測量流進和流出液體的溫度差；③置換法，用電加熱液體使產生和吸收超聲聲能同樣的效果，由加熱的電功率來確定聲功率。這三種方法中，一般說來置換法最好，因其可不必測定系統的熱容量及嚴格的保溫裝置。
光衍射法測定超聲聲功率，就是用測量聲強的光學法測出其平均聲強，再乘以超聲束的面積。
聲速和聲吸收的測量 見聲速和聲吸收。
參考書目
L.L.Beranek,Acoustical Measurement,John Wiley & Sons, New York,1956.
R.鮑伯著，鄭士傑譯：《水下電聲測量》，國防工業出版社，北京，1977。(R. J. Bobber, Underwater Electroacoustic Measurement, U. S. Government Printing Office,Washington,1970.)
