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声功率测试

Sound power measurement

一、声功率测试的意义

       用声压级描述机器设备的噪声时，测量结果不但取决于机器设备声源的特性，还与测量位置和声学环境有关。例如在机器设备在自由场（消声室）中测试的声压就比在扩散场（混响室）下要小。因此声压级测量不能全面反映机器设备辐射声波的强度特性。而声源的声功率是声源在单位时间内发出的总能量，它与测量点的位置和环境无关，因此声功率是声源的重要声学参量。

       一个类似现象的示例是供暖系统。例如，普通的家用暖气片可以释放热量。为了测量其效果，我们会使用能够显示温度的温度计（以摄氏度或华氏度为单位）。测得的温度取决于暖气片的放置位置，置于沙漠中和放在冰屋内得到的数值会有所不同，但其产生的热量保持不变。

       测量声功率是为了进行客观比较，同时也是为了达到法律层面的要求。发布新产品前，通常需要根据国际标准化组织 (ISO) 标准以及本国和当地法规对其进行认证。除了用于认证之外，声功率测试还有助于以行业和ISO标准为依据，开发更出色的产品。事实上它有助于公司达到甚至超越用户期望，由此提高竞争优势，对品牌战略予以支持。

电机的声功率测试

半球面法声功率及测试图

二、声功率与声功率级率概念

       如何测试一个物体产生了多大的声能量，这可以用声功率来表示，它指声源在单位时间内向外辐射的声能。

       声功率级是声功率与基准声功率之比的以10为底的对数乘以10，以分贝计。声功率级的计算公式为：Lw=10lg(W/W0)，其中W为测量的声功率，W0为基准声功率，常用基准声功率W0为10-12W。

三、声功率测试

       声功率的测量并不是一个简单的过程。要确定声功率，可以测量声压 [Pa] 或声强：通过单位面积的能量流率，以瓦每单位面积 [W/m2] 表示。

       以声压法测量声功率只能在非常特殊的环境条件下进行，通常只有声学试验室（消声室或混响室）能够满足这些条件。执行认证测量时，声压法是最常用的方法。当前有一套ISO标准规范了相关要求，并指明了获取高质量结果所需的测量程序。

以声强法测量声功率可以在任何声场中完成，但必须满足针对声音类型的某些要求。在有其他组件辐射噪声的情况下，可以对单个机器或声源进行测量，因为稳定的背景噪声不会影响声强的测量。然而这种方法可用的频率带宽有限，测量过程费时，而且对噪声源的特性有所限制。ISO标准对声强法测量进行了规范，并描述了获取高质量结果所需的程序。

3.1基于声压测量的声功率测试

       首先必须定义一个测量面。测量面是一个假设的包络面，在其上进行声压测量。测量面需要完全包围测试对象或与声反射闭合表面一起包围测试对象（例如混凝土地面可视作反射面，包络面可不用包含地面）。理论上，测量面与被测物体之间的距离是任意的，距离被测物体的距离越大，被测面就越大，这也是计算声功率时要考虑的因素之一。

测量包络面可以是任意形状，例如，立方体、半球或者测量面跟随被测对象的轮廓。

半球法麦克风布置图

       在自由场中通过测量声压来确定声功率，通常使用半球面。半球的优点是可以通过相对较少的测点包络被测对象来确定声功率。根据ISO 3744，建议至少使用10个麦克风测点，麦克风布点的原则是每个麦克风分配相等的半球表面积。如果不同测点间的声压差值过大，则必须增加传声器的数量。

       为了测定声功率，首先要在自由场中包围声源的测量面S上若干点(1到N)处测量声压级Lp，通过声压级测量值来计算声功率级Lw:

       该公式由两部分组成：第一项对不同测点麦克风的贡献进行能量平均，计算dB值。对不同测点位置的声压进行平均，可以得到一个代表整个测试对象的声压。在第二项中，测量面S的大小与参考面S0相除（S0=1m2），同样也转换成dB值。考虑测量包络面尺寸，使得声功率级的计算不受测量麦克风与被测量对象之间距离的影响。

3.2基于声强测量来测定声功率

       在这种方法中，需测量声源发出的声能流作为计算声功率级的依据。如前所述，在使用声压法测量时，通常需要投入昂贵的设施才能实现高精度的测量（如消声室或混响室）。使用ISO9614方法时，可以通过限制性远低于ISO3740系列规定的试验条件来确定声功率级。声强法的局限性在于声强探头的可用频率带宽和执行测量所需的时间。

       这种方法可以通过测量测试对象周围的点，根据垂直于测量面的声强分量，计算出1/1和1/3倍频带或有限频带的计权声功率级。此标准适用于宽带、窄带或有调声噪声源。对噪声源的大小没有限制。测试必须在精确的测量面上进行。平均而言，测量面和声源的间距应大于0.5m。所选面可以包括非吸声区域，如地板或墙壁。声强测量必须在至少10个均匀分布的点（每平方米至少有1个位置上进行。如果需要超过50个位置，或没有明显的外部噪声源存在，可以将测量点的数量限制在每2平方米1个位置。ISO标准建议采用平行六面体、半球、圆柱或半圆柱测量面。

       关于声强测试设备以及测试案例介绍如下，

       详见站内链接：声强测试 (pudut.com)

       详见站内链接：声强测试案例 (pudut.com)

四、测试软件介绍

       西门子Testlab测试软件操作界面下方的步骤指示按键提供了向导式的测试流程，按照一下七步进行操作即可完成声功率测试，软件操作界面如下。

       第一步，通道设置(Channel Setup)

       第二步，校准灵敏度(Calibration)—选做项

       第三步，跟踪设定(Tracking Setup)

       第四步，示波/采集设定(Acquisition Setup)

       第五步，在线分析设定(Online Processing) 

       第六步，开始测量(Measure)

       第七步，频域后处理(Post Processing)

软件操作界面

       在online processing界面下Testlab提供了全面的信号处理函数，在进行声功率测试时，可直接调用Sonudpower函数。

调用声功率计算函数

       根据测试规范编辑函数公式参数，参与计算的麦克风通道为CH1~CH10，Value=10log（S/S0），以国标1m半球法声功率测试为例，则value=7.98dB，点击OK即可完成声功率计算公式的编辑，在完成噪声数据采集后，软件将直接计算出声功率级并输出测试频谱，频谱中可直接查看关心频率段（例如0~10000Hz）声功率有效值（RMS）及峰值和峰值频率等频谱信息，如下图所示。

声功率计算公式参数设置

声功率频谱

五、测试案例