孫可

摘要 ：聲級計一般是由傳聲器、信號處理器及顯示裝置等組成。它廣泛用于環(huán)境保護(hù)、機械制造、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑設(shè)計、衛(wèi)生防疫、交通運輸及國防等各個領(lǐng)域，研究聲級計的原理與結(jié)構(gòu)為了在今后聲級計的計量檢校過程中用更科學(xué)的方法來解決遇到的問題。

關(guān)鍵詞 ：聲級計 頻率計權(quán) 放大器

一、 聲級計的概況

聲級計是測量頻率計權(quán)和時間計權(quán)聲壓級的儀器，它能夠把工業(yè)噪聲、生活噪聲和交通噪聲等按人耳聽覺特性近似地測定其噪聲級，模擬人對噪聲的主管感受。它以分貝（dB）作為計量噪聲強弱的示值單位，聲級計又俗稱分貝儀、噪音計。

在聲測量的過程中，測量包括聲級、聲壓級、頻率以及聲功率、聲強等多項指標(biāo)。尤其以聲級這一指標(biāo)最為關(guān)鍵，上述描述聲的指標(biāo)除頻率外，均與聲級有關(guān)或者可又聲級導(dǎo)出。聲級計讀數(shù)是相應(yīng)于全部可聽聲頻率范圍內(nèi)按規(guī)定頻率計權(quán)和積分時間而測得的聲壓級。由于人耳的靈敏度特性聲強的影響很大，因此國際上采用聲級計計權(quán)特性有A，B，C，D等四種計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，用他們測得聲壓級分別為“A聲級、B聲級、C聲級、D聲級”。

二、 聲級計的分類：

（一） 按照測量的內(nèi)容不同分為三類：

1. 測量指數(shù)時間計權(quán)聲級的常規(guī)聲級計

2. 測量時間平均聲級的積分平均聲級計

3. 測量聲暴露級的積分聲級計

（二） 聲級計按精度分為1級和2級兩種

1. 1 級聲級計的準(zhǔn)確度誤差為±0.7dB。

2. 2 級聲級計的準(zhǔn)確度±1.0dB。

（三） 按照對電磁兼容的要求分為三組：

1. X組聲級計，其標(biāo)稱工作模式是使用內(nèi)部電池，測量聲級時不需要連接其他外接設(shè)備。

2. Y組聲級計，其標(biāo)稱工作模式是連接到公共電源上，測量聲級時不需要連接其他外接設(shè)備。

3. Z組聲級計，其標(biāo)稱工作模式是要求兩項或更多的設(shè)備，它們都是聲級計的重要部件，用一定的方式連接在一起，單獨的各部件可以使用內(nèi)部電源或者連接到公共電源上。

（四） 按照功能和用途可以分為六種

1. 普通聲級計：（指針或數(shù)字式）直接讀瞬時及最大噪聲。

2. 脈沖聲級計：除了具有一般聲級計的全部性能，同時還有一些用于測量脈沖聲的特殊功能，例如脈沖時間計權(quán)特性、高峰值因素容量、輸入及輸出過載指示等等。

3. 積分聲級計：能夠以數(shù)字形式直接顯示出某一測量時間內(nèi)被測測噪聲的等效連續(xù)聲級。積分聲級計還能顯示聲暴露級Lax 。

4. 個人聲暴露計（劑量計）：用于噪聲環(huán)境中測量人們噪聲暴露量的數(shù)顯式聲學(xué)儀器。

5. 噪聲統(tǒng)計分析儀：用于環(huán)境噪聲監(jiān)測，并且進(jìn)行統(tǒng)計分析的聲學(xué)測量儀器，通常由聲級計和處理器兩部分組成。

6. 噪聲頻譜分析儀：通常是一種噪聲的測量儀器。用于各種工業(yè)噪聲的頻譜分析，還可用于環(huán)境噪聲測量。

7. 實時噪聲/振動測量系統(tǒng)：系統(tǒng)包括雙通道聲學(xué)與振動測試分析系統(tǒng)，四通道噪聲與振動測試分析系統(tǒng)，多通道噪聲振動測量分析系統(tǒng)；雙通道聲學(xué)與振動測試分析系統(tǒng)是由傳感器、信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集器，在基于PC技術(shù)的聲學(xué)振動測試儀器，傳感器采用測試傳聲器、加速度計等，即可完成所有的聲學(xué)和振動測試項目。

三、 聲級計的結(jié)構(gòu)及其工作原理

（一） 聲級計總體結(jié)構(gòu)組成

聲級計一般是由傳聲器、信號處理器及顯示裝置等組成。信號處理器包括具有規(guī)定的和頻率響應(yīng)可控的放大器、經(jīng)頻率計權(quán)的時變聲壓的平方的裝置、時間積分器或者時間平均器。信號處理器也可以是全數(shù)字的，頻率計權(quán)、時間計權(quán)、平方、時間積分、時間平均等功能可全部由計算機完成。

（二） 常規(guī)聲級計的工作原理及示意圖

圖1所示為常規(guī)聲級計的原理示意圖。

傳聲器將聲信號轉(zhuǎn)換為等效的電信號，現(xiàn)代聲級計基本上都是采用12.7mm的電容式測試傳聲器。由于傳聲器產(chǎn)生的電信號非常微弱，在處理前需要前置放大器放大。經(jīng)過頻率計權(quán)，使聲級計的靈敏度像人耳一樣隨頻率變化，以仿真等響曲線，聲級計必須具有國際標(biāo)準(zhǔn)化的A頻率計權(quán)。頻率計權(quán)后的信號經(jīng)放大，由有效值檢波器得出信號的方均根值，然后以分貝為單位顯示在顯示裝置上。

（三） 聲級計主要組成結(jié)構(gòu)概況

1. 傳聲器

傳聲器又稱為話筒，是一種聲電換能器，用來把被測聲信號換成電信號。在聲級計中使用的傳聲器要求它的頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、失真小、動態(tài)范圍大、尤其是穩(wěn)定性要好。按照換能原理和結(jié)構(gòu)的不同，傳聲器可分為3種：電動式傳聲器、壓電傳器和電容傳聲器。數(shù)字聲級計一般使用的是電容傳聲器。電容傳聲器具有頻率范圍寬、頻率響應(yīng)平直、靈敏度變化小、長時間穩(wěn)定性好等優(yōu)點，常用于精密聲級計和標(biāo)準(zhǔn)聲級計中，也是現(xiàn)在聲學(xué)測量中運用最多的傳聲器。電容傳聲器的特點是內(nèi)阻高，使用的時候需要用阻抗變換器與的衰減器和放大器匹配，而且需要加極化電壓才能正常工作。

2. 前置放大器

電容傳聲器的缺點是內(nèi)阻比較高，它的電容量一般只是幾十皮法（pF），甚至更低。如果與它了解的放大器輸入電容可以與之比擬，就會降低傳聲器的靈敏度；如果放大器輸入電阻太低，則電容傳聲器在低頻時靈敏度會降低，也就是說頻率范圍受到了限制。因此，在聲級計中需要使用前置放大器。

3. 放大器

電容傳聲器把聲音信號變成電信號，這個電信號一般是很微弱的，不足以產(chǎn)生指示數(shù)值，因此需要把放大器把電信號加以放大。聲級計中的放大器要求有一定的放大量、一定的動態(tài)范圍、較寬的頻率范圍和小的非線性失真（不大于1%）等等。

4. 衰減器

聲級計不僅要測量微弱信號，也要測量較強的信號，也就是要有較大的測量范圍，例如要測量25dB-140dB范圍聲級。聲級計的檢波器和指示器不可能有那么寬的量程范圍，因此要采用衰減器。為了提高信噪比，我們將衰減器分為輸入衰減器和輸出衰減器，輸出衰減器接在第一組放大器和第二組放大器之間，而且在一般測量時，使輸出衰減器盡量處在最大衰減位置。衰減器可以采用電容分壓形式，也可以采用電阻分壓形式；可以是串聯(lián)，也可以是T型衰減器。在聲級計中一般都采用電阻串聯(lián)形式，這種形式比較簡單方便，而且由于頻率不高，一般不需要進(jìn)行頻率補償。

5. 計權(quán)網(wǎng)絡(luò)

聲級計總共的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)是一組根據(jù)一定要求進(jìn)行頻率濾波的電網(wǎng)絡(luò)，通過它聲級計能夠進(jìn)行聲級測量。聲級計至少要求有A、B或C三種計權(quán)網(wǎng)絡(luò)中的一種。由于A聲級應(yīng)用最廣泛，因此聲級計中都有A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，有的還具有B計權(quán)網(wǎng)絡(luò)和C計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。也有的聲級計還具有“線性”頻率響應(yīng)，線性響應(yīng)用來測量聲音的聲壓級（非計權(quán)聲壓級）。為了測量航空噪音，有的聲級計還具有“D”計權(quán)網(wǎng)絡(luò)。

6. 檢波器

為了提高峰值因數(shù)容量和擴大指示器直接讀數(shù)范圍，聲級計使用了對數(shù)有效值檢波器。該檢波器利用二極管電流與電壓之間的正向指數(shù)關(guān)系特性，以對數(shù)方式變換輸入信號，然后將此信號放大2倍以上實現(xiàn)平方，并在整流和時間常數(shù)變換的部分電路中完成信號的均方平均，由于輸入電壓和輸出電壓的均方值的對數(shù)成正比，因此指示器可直接按dB線性分度，對數(shù)有效值檢波器具有真實的平方特性和很高的峰值因數(shù)容量，所以檢波特性為真實有效值。

7. 濾波器

濾波器是一種能讓一部分頻率成分通過、其余頻率成分衰減的儀器或電路。濾波器一般由四種，即高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器，這種濾波器只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號通過。高于或者低于這一頻率范圍的信號不能通過。

聲級計作為聲學(xué)測量中最基本而又最常見的儀器，用于測量和分析聲音的聲壓級或聲級。它不僅運用于應(yīng)用在聲學(xué)理論研究和電聲測量中，而且已經(jīng)廣泛用于環(huán)境保護(hù)、機械制造、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑設(shè)計、衛(wèi)生防疫、交通運輸及國防等各個領(lǐng)域，并被列入國家強制檢定的計量器具。進(jìn)一步了解聲級計的原理及其結(jié)構(gòu)，能夠用更好的深入理解JJG 188-2002 《聲級計檢定規(guī)程》，并且在今后聲級計的計量檢校過程中用更科學(xué)的方法解決遇到的問題。