作者：Christof Salcher國際產品經理HBM, Inc. www.hbm.com

了解被調查機器或系統組件的噪聲來源和原因在開發、實驗、生產取樣、服務和維護中變得越來越重要。畢竟，聲學的“額外數量”往往對整個產品生命周期中的舒適度、職業健康與安全以及品牌形象至關重要。

過去，工程師在測量聲學時需要使用額外的工具——迫使他們與不同的設備、用戶界面、理念和數據格式作斗爭。然而，今天的測量工具，例如 HBM 的 QuantumX 和 catmanAP 數據采集解決方案，可以提供詳細的聲學測量分析功能以及用于采集機械、熱、電氣和數字總線信號以及 GPS 和視頻信號的全套功能. 特別是對于聲學測量，工程師可以利用諸如以 dB(A) 為單位的聲級分析等功能，并根據二維頻譜圖中的響度和頻率分析進行心理聲學評估。

多用途測量工具不僅可以更有效地測量事件，還可以簡化和加快與趨勢分析研究中早期測量結果的比較。這些工具提供了服務和維護任務所需的緊湊、便攜的解決方案。

噪聲工程

在汽車市場中，術語噪聲、振動和聲振粗糙度 (NVH) 通常用于描述車輛或機器中的可聽噪聲或可感知振動。粗糙度是 20 到 100 Hz 之間的主觀過渡區域，既可聽又可感知。振動產生于由振動源引入振動傳遞結構的力，例如自致粘滑效應。NVH 的典型示例是粘滑的擋風玻璃刮水器、變速箱嘯叫、緊握離合器或嘈雜的空調系統。

NVH 產生于理想摩擦的副作用或固體之間摩擦的不希望結果，這導致結構傳播噪聲的排放和最終可聽見的空氣傳播噪聲。在四面不受限制的固體中，有兩種不同的結構聲波傳播：所謂的縱波和橫波。這些波彼此獨立地傳播。在這兩種情況下，聲速與空氣傳播的噪聲一樣，不依賴于頻率。聲速受密度、剛度模量(橫波)和彈性模量(縱波)的影響。

結構噪聲的記錄和分析在工程中起著重要作用。在機械系統的開發過程中，噪聲分析可以幫助測試整體功能、啟動、性能、耐用性，甚至壽命。在生產中，噪聲分析可以通過確保在將零件集成到汽車內飾、轉向組件等過程中滿足聲學約束來增強質量檢查過程。在整個產品生命周期中，噪聲測量提供了在例行檢查、故障調查、故障排除以及校準或調整期間持續分析長期結構健康和診斷數據所需的關鍵信息。

噪音的本質

使用 NVH 時，需要避免可能降低舒適度的振動。在聲學科學中，聲學不適的性質與聲源的各種特性有關，包括聲壓級 (SPL)。例如，運轉中的噴氣發動機、音樂會或重型卡車的聲音可能會因為音量太大而讓人不舒服。表 1 提供了各種常見事件的 SPL。

表 1：各種噪聲源的聲壓級 (dB(A))

然而，除了大容量源之外，噪聲源的特性與對該噪聲的感知之間的關系可能很復雜。人類的聽覺感知不同頻率的聲音或多或少響亮。聲壓級或噪聲級是一個心理聲學量。在測量過程中，噪聲信號被過濾，以便它們模仿人類聽覺的特性，從大約 2 kHz 到 4 kHz 的峰值靈敏度范圍內下降。這些濾波器的加權曲線是標準化的。

我們說的是聲壓級的所謂 A 加權，記為 dB(A)。零 dB(A) 對應于聽力閾值(聽覺閾值)。A 計權濾波器曲線定義為 20 Hz 至 20 kHz(圖 1)。噪音疼痛的閾值約為 130 分貝(A)。通過使用高級聲學測量設備的“計算通道”，將聲壓轉換為聲壓級(SPL)非常容易。

圖 1：A 加權濾波器曲線將人耳感知的相對響度作為音頻頻率的函數考慮在內。

噪聲測量 一般聲學測量通常從使用高質量麥克風開始。以 Microtech Gefell M370 測量麥克風為例;這種內置轉換器類型的麥克風包括一個具有圓形特性的駐極體壓力接收器。來自放大器的恒定電流為麥克風供電，測得的聲壓被調制為電壓信號 (IEPE)。1 類露天使用的可測量頻率范圍在 20 Hz 和 20 kV 之間(圖 2)。最大聲壓級為 130 dB(A)。

圖 2：MICROTECH GEFELL M370 麥克風的校準證書顯示其響應在感興趣的頻率范圍內的線性度。

對于實際的信號采集和處理，HBM 的 QuantumX 和 catmanAP 軟件等工具提供了完整的聲學信號處理平臺。QuantumX 是一種模塊化數據采集解決方案，能夠以 0.1 到 100 kS/秒的速度同時從多個傳感器和傳感器收集數據，測量力、應變、扭矩、壓力、溫度、位移、速度、位置、加速度、流量、電壓、電流、噪聲，以及許多其他特征。除了數據采集功能外，catmanAP 軟件還提供了一個用于在線和后處理計算的集成數學庫。數學函數從簡單的代數計算、過濾器、統計和分類(如雨流或水平時間)擴展到頻譜分析、電功率計算、

噪聲分析要求

為了揭示噪聲的根本原因，工程師依靠幾個基本的分析功能來為他們提供包括噪聲在內的被測系統的清晰圖景。在這些功能中，一些最常見的功能包括：? 隨時間、頻率、角度或其他量(如位移或轉速)的表示(轉速計)? 在彩色頻譜圖中表示為功率譜密度 (PSD) ? 總體以 dB(A) 為單位的聲級特性 ? 以 dB(A) 為單位的帶限級特性

在頻域中分析信號并不能顯示信號的頻率內容如何隨時間演變。對于此任務，catman 中的頻譜圖等功能提供了所需的結果。頻譜圖通過計算信號中包含的頻率以及隨時間變化的相關顏色編碼幅度，直接顯示聯合時頻分析 (JTFA)。為了計算 JTFA，catman 軟件使用所謂的短時傅里葉變換 (STFT)，隨著時間的推移對信號的短片段重復應用快速傅里葉變換 (FFT)。本質上，頻譜圖的 JTFA 比標準 FFT 顯示更多細節：頻率內容(y 軸)隨時間演變(x 軸)，以所謂的 2-D 1/2 可視化顯示，其中幅度或能量映射到顏色代碼(圖 3)。

圖 3：麥克風的頻譜圖顯示了聯合時頻分析 (JTFA)，該分析是通過計算信號中包含的頻率以及隨時間變化的相關顏色編碼幅度而得出的。

JTFA 依賴于用于計算頻譜的測量值數量等參數。這些測量的經驗法則是 FFT 中包含的測量值越多，頻率范圍內的分辨率就越準確。另一個參數是窗口函數，它決定了當在計算中使用從對段(窗口)內的信號進行采樣得到的采樣值時應用的加權。如果將多個通道分配給圖形，則通道的光譜也可以顯示為矢量和。

審核編輯：湯梓紅