第章各种物理量的测试计量下.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第10章 各种物理量的测试计量（下）,第章各种物理量的测试计量下,10.1 光学计量,10.1.1 光度计量,1光度计量的主要内容和计量单位,光源发光的强弱、照明的效果是用人眼的视觉来衡量的,在可见光范围内,人的眼睛对不同波长的光的敏感程度是不相同的,这就造成人眼对能量相同、波长不同的光所感受到的明暗程度是不同的。,为了测光的统一和准确,根据对许多正常人眼的研究,求出了各种波长的平均相对光谱灵敏度。1942年,国家照明委员会（简称CIE）规定了国际统一的平均人眼光谱特性曲线,称为平均人眼的“光谱光效率”或“视见函数”,以V(）表示。,光度计量一般是指对可见光各种参数的计量,主要有发光强度、光通量、光照度和光亮度等。,1）光通量,光通量是单位时间内通过某一面积,并按国际约定的平均人眼视觉特性评价的光辐射通量,用,表示,单位是流明（lm）。,流明的定义是:光强度为1坎(cd)的均匀点光源,在1球面度(sr)立体角内发射的光通量。,2）光强度,光强度是点光源在给定的方向上在单位立体角发射的光通量,用I表示,单位是坎（cd）。,坎德拉的定义是:一光源在给定方向上的发光强度,该光源发出频率为54010,12,Hz的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为1/683 W/sr。,3）光照度,光照度是入射在单位面积上的光通量,用E表示,单位是勒克斯（lx）。,(10.1.2),(10.1.1),勒克斯的定义是:1 lm的光通量均匀分布在1 m2表面上所产生的光照度。,4）光亮度,光亮度是一个具有一定面积的光源（包括非自发光源表面）在指定方向上单位投影面积的发光强度,用,L,表示,单位是尼特（nt）。,(10.1.3),2 光探测器,光探测器是进行光学计量的重要器件。就其探测范围而言,包括可见、红外、紫外光区。就其测量类别而言有直观和客观两类。,客观的光探测器一般有三类:,（1）光电效应探测器:有光电管、光电倍增管、光导管、光电池等。当受到光照时,光电效应产生的光电流与被照表面吸收的光通量成正比,且与照射波的波长有关。,（2）热电效应探测器:如热电偶、热敏电阻等。此类探测器只与接收的辐射通量有关,与入射光的波长无关,是无选择性的探测器。,（3）光化学效应探测器:如照相底片。,3 测光光度计,测光光度计有以下几种：,（1）陆末-布络洪光度计。,陆末-布络洪光度计也称为目视光度头。通过不断改变光源到漫射板的距离,并用人眼观测,很容易使得在一定距离上漫射板两边的照度一样。这样就可以求出两光源的发光强度之比,通过已知灯的光强度值来标定待测灯的光强度。,（2）数字式光电光度计。,数字式光电光度计是用光电法进行光度计量的仪器,即用各种光电接收器和电测仪表相配合进行计量。常用的接收器有光电池、光电管和光电倍增管等。不同光源光度量的计量,需选择不同物理性质的光电接收器,采用不同方式来指示光度量。硒光电池就是较普遍用于光度计量的光接收器,其优点是精度高、测量时间短。,（3）球形光度计。,球形光度计又称积分光度计或积分球。它是内部中空而外部完整的球壳,根据光源功率和外部尺寸的大小,有不同直径的球可供选择。球上有一窗口,球内涂有反射率为,的白色漫射层并装有待测灯,光通过漫反射经窗口射到接收器上,这部分光通量正比于待测灯的总光通量。,（4）分布光度计。,分布光度计是通过计量光源的光分布,即照度分布,计算出被测光源的光通量的大型仪器。一般应用于大功率和光分布不均匀的光源的计量。,4光度量的计量方法,1）光度计量原理,光度计量有主观计量和客观计量之分,主观计量以人眼为接收器进行计量,客观计量以各种物理接收器与电测仪器来进行计量。在计量中,正确掌握光度学的一些基本原理以及适用的条件是十分重要的。,(1)朗伯定律。,朗伯定律是与发光强度和亮度有关系的。如果有一个面积为A的均匀发光面,它在某一方向上的亮度为,L,则在这个方向上的发光强度,I,为,I,=,L,Acos,(10.1.4),式中,为发光面法线与指定方向的夹角,称为方向角。,如果这个面光源的亮度在各个方向上均相等,即亮度不依赖于方向角,则下标可以取消,亮度L为一个常数,则式（10.1.4）可写为,I,=,LA,cos (10.1.5),而垂直于发光面的发光强度,I,0,=LA,代入式（10.1.5）可得,I,=,I,0,cos (10.1.6),上式表明,一个亮度在各个方向上均相等的发光面,在某一个方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度,I,0,乘以方向角的余弦。这就是著名的朗伯定律,式（10.1.6）就是朗伯定律的数学表达式。凡是亮度在各个方向上均相等的发光面,都被称为朗伯发射面或朗伯体,有时也叫均匀漫射面或均匀漫射体。例如,黑体辐射器就是一个朗伯体。在光辐射计量中经常用到的漫射器如乳白玻璃、白色反射板等也在很大程度上近似于朗伯体。,(2)距离平方反比定律。,设有一个点光源,它在各个方向上的发光强度都等于I,在距离这个光源足够远的l处,可以把传播着的波阵面看做球面,即有一垂直面积为,d,A的受光面元。光源在某一很小的立体角,d,范围内发出的光线是均匀的,根据发光强度与光通量之间的关系,这个受光面所接收到的光通量为,d,=,I,d (10.1.7),其中,(10.1.8),为点光源对受光面所张的立体角。因此有,(10.1.9),将上式代入照度公式,E,=,d,/,d,A,可得,(10.1.10),式(10.1.10)表明,垂直于光线传播方向的被照表面的光照度与从光源到该表面的距离的平方成反比,这称为距离平方反比定律。,(3)光照度的余弦法则。,设点光源在某一很小的立体角,d,范围内均匀发出光线,与该立体角相截的任意横截面,d,A上的光照度为,E,。如果,d,A不垂直于光线,即其法线与光线有一夹角,则dA在垂直于光线方向的投影为,d,Acos,。所以,(10.1.11),因此,被照表面,d,A上的光照度为,(10.1.12),从式(10.1.12)可以看出,被照表面的光照度和该表面法线与光线方向之间夹角的余弦成正比,这称为光照度的余弦法则。,2）光强度的计量,光强度的计量通常采用比较法,有等光照度法和等距离法两种。,(1)等光照度法。,等光照度法是使标准灯、待测灯和比较灯在接收器表面产生的光照度都相等,然后用距离平方反比定律进行计算。最后,待测灯的光强度可用下式计算得出：,(10.1.13),(2)等距离法。,等距离法是使标准灯、待测灯、参考灯到光电接收器表面的距离都相等,且位于同一侧。参考灯用来监视被测量系统的稳定性,根据光电流i的变化,通过计算可得待测灯的光强度为,(10.1.14),3）光照度的计量,一般光照度的计量是使用照度计进行直接计量。在照明工程中,除用照度计直接计量外,有时还可以通过光源的光强度或光亮度值来计算光照度。,设有一朗伯发光表面,d,A,它在各个方向上的光亮度L是相同的,如图10.1.1所示,则距离,d,A发光面l远的被照表面,d,S上的光照度是多少？,连接两表面,其连线与两表面法线间夹角分别为,和,由光照度的余弦法则可知被照表面的光照度为,(10.1.15),图 10.1.1 计算光照度示意图,又根据朗伯定律,发光表面在两表面连线方向的光强度为,dI,=,LdA,cos,(10.1.16),所以,上式为符合朗伯光源的光照度的一般计算公式,据此可计算出线状光源、面光源、圆盘光源等的光照度。,(10.1.17),4）光通量的计量,同色温光源光通量计量的比较方便的方法是用积分球并采取替代法进行相对计量。在球内轮流点燃标准灯和被测灯,由光电池接收器分别在读数仪表上测出对应的窗口光照度,E,标,和,E,待,这样得出,(10.1.18),即通过已知标准灯的光通量,标,可计算出被测灯的光通量值,待,。,5）光亮度的计量,发光面亮度的计量一般使用亮度计,还可以通过计量光照度来求出光亮度。,对于光亮度较高的大面积光源,在内壁涂有无光泽的黑色涂料的管子里,装两个可移动的带孔光栏G,可以防止杂散光经窗口射入光电池硒,如图10.1.2所示。,窗口A对准并垂直被测发光表面,S,管子长为,l,当,l,比,S,的线度大得多时,可把窗口看做是点光源。设亮度为,L,则窗口的光强度为,LS,它在接收器上产生的光照度为,(10.1.19),图10.1.2 计算光亮度示意图,即有,当光源与窗口之间介质为空气且距离不大时,窗口处的光亮度即可看做光源被测部分的光亮度,测出光照度E,就可算出光亮度值L。,10.1.2 辐射度计量,辐射度计量类似于光度计量,但是不考虑人类视觉系统的特性。光辐射计量,已经是把光看成是一种辐射能量,无论是红外、紫外,还是可见光,都用“功率”和“能量”等绝对单位来计量。辐射度计量的主要参数有辐射通量、辐射强度、辐射亮度和辐射照度等。辐射度学的量的定义与光度学中的对应量类似,它们常用的量和单位如表10.1.1所示。,(10.1.20),表10.1.1 光度学、辐射度学常用的量和单位,1 黑体辐射定律,光辐射计量的一个基本理论是关于黑体辐射的理论。黑体是一个理想的概念,是能够在任何温度下把射到它上面的所有波长的辐射完全吸收的假想体。,从理论上讲,任何物体只要它的温度在绝对零度以上,都能发出电磁辐射能量,任何物体又都能够或多或少地吸收射到它上面的辐射能量,从而引起内能的变化,如果热量不被带走的话,物体的温度将会升高。基尔霍夫通过试验发现,对所有物体,物体发出的辐射（即辐出度,M,e,）与吸收辐射,的比值是相同的,是波长和温度的函数,而与物体的材料和形状无关,即,这就是基尔霍夫定律。对于黑体有,=1,且黑体是辐出度最高的物体。,普朗克定律则给出了黑体辐出度的具体数学表达式,式中,M,e,是波长为,时的光谱辐出度;,c,1,为第一辐射常数,c,1,=2,hc,2,=3.740810,-16,W,m,2,h,为普朗克常数,c,为光速;,c,2,为第二辐射常数,c,2,=hc/k=1.438810,-2,m,K,k,为玻尔兹曼常数;,为波长;,T,为绝对温度。知道了黑体的温度,就可以算出黑体光谱辐出度随温度的变化,也就可以用各种温度下的黑体作为测量光谱能量分布的计量基准。,(10.1.21),(10.1.22),将普朗克公式(10.1.22)进行适当的数学变换后,可以得出维恩位移定律的数学表达式,式(10.1.23)表明辐射本领最大的波长,m,与黑体的绝对温度T的乘积是一个常数。,将普朗克公式(10.1.22)对所有波长进行积分,就可得到黑体在某一温度下的总辐出度,M,e,=,T,4,W,m,-2,(10.1.24),这就是斯忒藩-玻尔兹曼定律,其中,(10.1.23),称为斯忒藩-玻尔兹曼常数,它是热力学中一个重要的物理常数。式(10.1.24)表明黑体的总辐出度,M,e,与绝对温度的四次方成正比。,2光谱能量分布计量,光源的光谱辐射亮度（强度、通量）与波长的关系,称为光源的光谱能量分布。如果以波长为横坐标,以辐射亮度（强度、通量）为纵坐标,可以画出光谱能量分布曲线,从曲线中可以知道光源辐射的波长范围,某一波长的辐通量,以及这一波段的能量占总能量的百分比等等。,要计量光源的光谱能量分布,就必须按光源波长（颜色）分别进行测量,单色仪就是能将光源颜色分开的仪器。计量光源相对光谱能量分布采用的是将待测灯与标准灯相比较的测量方法,测量中用单色仪作分光器。,在某一波长下用光电探测器测出标准光源的输出信号,i,s,(,),保持测量条件不变,用待测光源替代标准光源,测出待测光源的输出信号,i,x,(,),标准光源在波长为,时的光谱辐射亮度,L,s,(,)是已知的,则待测光源在波长为,时的光谱辐射亮度,L,x,(,)为,其中,M为与波长无关的常数,在计量相对光谱能量分布时,不需要测出M的具体数值。改变就可以求出各波长下待测光源的相对光谱辐射亮度。,(10.1.25),其中,M为与波长无关的常数,在计量相对光谱能量分布时,不需要测出M的具体数值。改变就可以求出各波长下待测光源的相对光谱辐射亮度。,用干涉滤光片测出光源某一波长辐射亮度的绝对值,再根据光源的相对光谱能量分布曲线,可以推算出光源的绝对光谱能量分布曲线。,10.1.3 激光计量,激光计量是光学计量的新领域,主要研究连续激光和脉冲激光的功率和能量。一般对连续激光计量功率,而对脉冲激光则计量能量。,1 激光功率和能量的计量方法,激光是一种受激辐射的电磁能,它可以根据电磁辐射与物质相互作用的原理,把电磁辐射转变成其他形式的能量加以计量。激光功率和能量的计量方法与光辐射的基本计量方法相同,常用的方法有光热法、光电法、光压法、光磁法等。,1）光热法,光热法是根据光的热效应,通过测量光能转换成热能后引起的物体的温度、压力、体积和电阻的变化,达到测量激光功率的目的。常采用热电堆、热敏电阻或热敏气动器（高莱探测器）等热敏探测器进行探测。,光热法的最大优点是应用的光谱范围宽,而且光谱响应平坦,灵敏度可以做到不随激光辐射束的波长和入射角而变,性能长期稳定、线性良好。,2）光电法,光电法基于光电器件的光电效应。当光辐射能入射到光电器件上时,由于入射光子与材料的束缚态电子相互作用,产生了一定的光电效应,从而使探测器输出光生电动势。常用的探测器有光电二极管、光电池和光敏电阻等内光电效应器件,也有使用光电管和光电倍增等外光电效应器件的探测器。,光电法具有灵敏度高和响应时间快等优点。由于光电探测器的响应是由光子与束缚态电子直接相互作用决定的,因此光谱响应随波长变化较大,应用波长范围较窄,它是一种有选择性的探测器。,3）光压法,光压法基于光压效应。目前主要使用的是光子牵引探测器,是近几年发展起来的一种新型探测器,主要用于二氧化碳激光的测量。当强光照射某些半导体材料时,由于入射光子与自由载流子之间产生动量传递作用,牵引半导体中的自由载流子（电子或空穴）沿着光照方向相对于晶体运动,从而产生光电子牵引电压,其电场方向与载流子方向相反,这种效应称为光子牵引效应。,光子牵引探测器就是根据光子牵引效应制成的。其优点是响应速度快,不需外接电源,缺点是灵敏度低,只能在强光照射下才有响应,不适用于作微弱光信号探测器。,4）光磁法,光磁法基于光磁电效应。将半导体置于强场中,当半导体表面受到光辐射照射时,在表面便会产生光生电子-空穴对。表面的电子与空穴浓度增大,便要向外扩散,在扩散过程中受到强磁场的作用,空穴和电子便向相反的方向产生偏转,使半导体的两端分别积累正电荷和负电荷,从而在半导体内产生电场,阻碍电子与空穴的继续偏转。,此时如果把半导体两端接上负载,则产生电流,两端开路时则有开路电压,这种现象称为光磁电效应。利用光磁电效应制成的探测器叫做光磁电探测器。其优点是光谱响应较宽,响应速度较快,不需要加偏压,内阻很低,有良好的稳定性和可靠性;缺点是响应度不够高,而且需要附加磁场装置,测量电路较为复杂,易于受到外界环境的干扰,因而大大影响了其使用。,2激光功率计量,激光功率计量按其大小分为小功率、中功率和大功率计量。通常把功率范围为 0.1100 mW 的激光功率称为小功率,把130 W范围的激光功率称为中功率,把30 W以上的激光功率称为大功率。,1）激光小功率计量,激光小功率计量工作标准是平面补偿型绝对辐射计,由外壳和接收器两部分组成。接收器部分主要由氧化绝缘的硬铝底座、镀金云母片、基片、黑吸收层、热电堆组成。当一束待计量的激光射到辐射计的接收面上时,被表面黑吸收层吸收,接收面就会变热,并通过加热丝和云母片传到基片上,在基片上产生一个均匀的温场,很快热量就传到粘附在基片背面的热电堆,热电堆的热电势变化能表示出辐射计受光照时所产生的温升。,然后遮断光照,在加热器上通以电流,并使热电堆给出同样的热电势变化,则加热所用的电功率就代表了待计量的激光功率。,平面补偿型绝对辐射计在测量波长为0.31.5 m时,测量的功率范围为0.1500 mW,测量不确定度为2%。,2）激光大、中功率计量,绝对型激光大、中功率计量标准一般采用流水式功率计。这种功率计在结构上采用锥体接收,导杆传热冷却的形式,如图10.1.3所示。,图10.1.3 流水式激光功率计,当激光束入射到内锥体壁上时,内锥体吸收光束的能量,并把光能转换成热能。热能沿导杆向散热器方向传递,形成温度梯度,并通过以恒定流速流过内锥体外壁的水把内锥体吸收的热能带走。由于从进水口流入的水通过内锥体外壁时吸收了一定的热能,温度升高,因此,出水口的水与进水口的水相比有温差,在导杆的进水口和出水口处装有测量温差的热电堆,由此产生一定的热电势。在水流速恒定的情况下,激光功率的大小与热电堆输出的热电势的大小成正比关系,这样就把光能测量问题转换为较容易实现的电能测量,根据热电堆产生的热电势的大小就可以确定入射激光功率的大小。,3 激光能量计量,激光能量计量主要是采用电能校准的光热型能量计,其工作原理是经典的量热学方法。为了适应激光能量不同量程、波长、峰值功率或能量密度的计量,有B型、Z型和D型三种类型的能量计可供选择。这三种激光能量计分别适用于大、中、小激光能量的计量。,（1）B型能量计。,B型能量计是体吸收型的能量计,脉冲激光能量不是在一个面上被吸收,而是在一个体型吸收器内被吸收,以免引起瞬时局部高温而产生不良影响。B型能量计作为激光能量工作标准,其准确度为2%,重复性优于0.4%。,（2）Z型能量计。,Z型能量计是一种激光小能量计量标准,是以双锥腔为接收器的能量计,锥形结构使光束经多次反射而被全部吸收,因此,该能量计属于全吸收型能量计。其优点是工作波段宽,但是损伤阈值很低。多用于宽脉冲或连续脉冲激光能量的计量。,（3）D型能量计。,D型能量计是一种激光大能量计。其接收器是一内壁抛光成镜面并镀镍的方形钢管,称为接收腔。激光射入接收腔,经多次反射逐渐被接收腔吸收。接收腔左右外壁粘附着热电偶,上下外壁按一定的密度贴着电加热丝,模拟激光吸收的路径,以此来计量出激光的能量。,10.1.4 色度计量,1 色度系统,产生颜色视觉是光辐射作用于人眼的效应,而物体的颜色既取决于光作用于物体的特性,又和人眼的视觉特性有关。因此,国际照明委员会规定了适用于匹配等能光谱刺激的（X）（Y）（Z）三原色数量,即标准色度观察者的光谱三刺激值,以代表人眼的平均颜色视觉特性,用于色度计量计算和颜色标定。,1931年CIE在RGB系统的基础上,建立了CIE1931色度图,（R）（G）（B）分别代表红、绿、蓝三个原色。根据颜色混合原理,任何一种颜色都能够用三个原色的适当比例相混合获得,因此,要确定某一颜色,就必须采用匹配某一颜色的三原色比例。对某一特定颜色刺激的色度坐标与光谱三刺激值 、的关系为,(10.1.26),x,色度坐标相当于红原色的比例,y,色度坐标相当于绿颜色的比例,z色度坐标相当于蓝原色的比例,且,x,+,y,+,z,=1。,2 光源的色温和相关色温,不同的光源,由于发光物质的成分不同,光谱功率分布有很大差异,一定的光谱功率分布表现为一定的光色。光源的光色不仅和它发光时的温度有关,而且在和黑体辐射源的光色相匹配的情况下,还和此时黑体辐射源的温度有关。因此,可以把光源的光和黑体辐射的光相比较来描述光源的光色。,光源色温是指发出和某光源具有相同光色的黑体辐射源的绝对温度。也就是用黑体辐射源加热到不同温度时所发出的不同颜色来描述光源的颜色。,当光源的光色与黑体辐射源的光色不相同时,色温的概念被拓广,提出了相关色温的概念。,在某一确定的均匀色度图中,如果某光源与某一温度下的黑体辐射源具有最接近的相同的光色,则此时黑体的这个绝对温度叫做该光源的相关色温。也就是说,光源的光色在色度图上不一定准确地落在黑体轨迹上,而常在轨迹附近。由于光源的色度坐标并不恰好是黑体轨迹上的色度坐标,因此用光源与黑体轨迹最接近的颜色来确定该光源的色温。,3 色度计量方法,一个物体的颜色是由其色度坐标来表示的,为了计量光源或物体的色度坐标,应先对光源的光谱功率分布或物体的光谱透过率或反射率进行测定,然后计算出颜色的三刺激值,最后由三刺激值转换成色度坐标。,对于投射物体和反射物体,CIE规定了标准照明体的相对光谱功率分布,只需测量得到物体色刺激的光谱透过率或光谱反射率,就可以通过计算得出物体的色度坐标。,光谱光度测色法就是应用上述原理,通过定量比较“标准”和样品在同一波长的单色辐射功率,进一步测得其光谱反射率因数或光谱透过率,从而得出物体的三刺激值和色度坐标。采用光谱光度测色法制成的色度计量仪器是光谱光度测量仪。,4 色度计量仪器,色度计量仪器主要可分成两类:分光测色仪器和色度计。分光测色仪器是色度计量中最基本的仪器,这类仪器不直接测量颜色的三刺激值,而是测量物体的光谱反射或光谱投射特性,再用CIE推荐的标准照明体和标准色度观察者的光谱三刺激值,通过计算求得被测物体的三刺激值。,光谱光度测量仪就是一种分光测色仪器。而色度计不同,它的响应很像人眼的视觉系统,可通过直接测得与颜色的三刺激值成比例的仪器响应数值,直接换算出颜色的三刺激值。色度计获得三刺激值的方法是由仪器内部的光学模拟积分来实现的,也就是用滤光镜来校正仪器光源和探测器的光谱特性,使输出的电信号的大小正比于颜色的三刺激值。色度计包括目视色度计和光电色度计两类。,10.2 声学计量,10.2.1 声学计量的基本参量,当一个物体振动时,在它的周围就会产生声波,这个由于振动而引起发声的物体就称为声源。声波通常指弹性媒质中传播的压强、应力、质点位移、质点速度等的变化。一般来说,凡是弹性媒质,例如空气、液体和固体等都能够传播声波。声波是以纵波的形式在弹性媒质中传播的。,声波的频率很广,从10,-4,10,12,Hz。按照频率范围,声波可以分为次声、可听声、超声和特超声。次声是频率低于人耳听觉下限的声,其频率范围为10,-4,20Hz。听声也称为可听声,是正常人耳可以听到的声音,其频率范围大致为2020000Hz。日常生活中所说的声音,一般都是指听声。超声是频率高于人耳听觉上限的声音,即频率高于20 000 Hz、低于510,8,Hz的声。特超声是频率为510,8,10,12,Hz的声。,1 声压、声强和声功率,声学计量的基本参量有三个,即声压、声强和声功率,其中最主要的是声压。因为声强和声功率的计量相当困难,而声压的计量往往比较容易,所以常常通过计量声压来间接地计量其他量。,声压的定义是:在声波存在时介质中的压力与静压的差值。声压一般用,P,来表示,其单位是帕斯卡,符号为Pa。1 Pa=1 N/m,2,即1 Pa是1 N的力均匀而垂直地作用在1 m,2,的面积上所产生的压力。声压变化的平均值为零,通常所说的声压皆指有效（均方根）声压。,空气声声压计量和听力计量就是研究空气中声压单位的传递问题；水声计量则是研究水中声压单位的传递问题;超声计量虽然是研究超声功率的传递问题,但由于声功率与声压之间存在对应关系,它也可以归结为声压单位的传递。,声强是单位时间通过垂直于声波传播方向的单位面积的声能量,用,表示,单位为瓦/米,2,。,声功率是指单位时间内通过指定面积的声能。声源的声功率通常是指在单位时间内声源向空间辐射的总能量。声功率一般用,W,表示,单位为瓦。,2 频率,频率也是声学计量中的一个基本量。声学计量的很多内容都与频率有关。一般说来,空气声声压计量和听力计量都是研究人耳可以听到的音频声,超声计量研究超声频段的声波,而水声计量研究的频率范围最宽,从次声到超声。,3 级与分贝,正常人耳刚刚能听到的声音的声压为210,-5,Pa,称为听阀声压;使正常人耳开始感到刺痛难忍的声音的声压为20 Pa,称为声痛声压。两者相差一百万倍。可见,用帕斯卡来表示声压,在数值上很不方便。另一方面,人耳对声压大小的主观感觉不是线性的,而是近似于对数关系。基于这两方面的原因,人们选择了一个对数单位分贝(dB)作为级差的单位。声压的大小一般用“声压级”来表示,定义为,L,P,=20 (10.2.1),其中,P,为基准声压,通常取为210,-5,Pa。这样,听阀的声压级即为0 dB,而痛阀则为120 dB。人们日常讲话的声音约为40 dB。,声强用分贝表示称为声强级,其数学表达式为,式中,I,0,是基准声强,通常取为10,-12,W/m,2,。,声功率用分贝表示则为声功率级,其数学表达式为,(10.2.2),(10.2.3),式中,W,0,是基准声功率,通常取为10,-12,W。,10.2.2 空气声声压计量,声学计量与其他计量领域的最大不同点就是,声学量值传递是通过校准换能器（如标准传声器和标准水听器）的灵敏度来实现的。因为声压不像长度、质量那样可以建立一个永久性的基准器件,进行直接计量,所以,从某种意义上讲,声学计量的实质是进行换能器校准。,传声器是一种将声能转换成电能的换能器。传声器先把声波转换为相应的电信号,然后用电子仪表放大到一定的电压再进行测量与分析。目前,声压大多是采用传声器来计量的,所以要准确计量,必须用灵敏度经过严格校准的传声器。因此,声压计量问题实质上就是传声器灵敏度的校准问题。,瑞利盘是测量平面声波声场中质点速度的基本仪器,早期曾用做传声器的绝对校准。要直接求得声波中的质点振幅,可以采用烟点法,即测量悬浮在声波中烟点振动轨迹的长度。热线法也曾经用做声压的绝对计量。,目前,校准传声器灵敏度的常用方法有耦合腔互易法、自由场互易法、活塞发生器法和静电激励器法。,1 耦合腔互易法,互易技术可以用来校准封闭在小空腔中的传声器,它给出的是声压灵敏度。耦合腔互易法要使用三个传声器,其中一个必须是可逆的,或者用一个辅助声源和两个传声器,其中一个传声器也必须是可逆的。,采用三个传声器时,用两个传声器耦合到耦合腔,其中一个传声器作发射器,另一个作接收器。由接收器的开路输出电压和发射器的输入电流的比值可以导出计算两个传声器的声压灵敏度乘积的公式。如果互换传声器,进行三组测量,并比较测量结果,就可以求出每一个传声器的声压灵敏度。,采用两个传声器时,用辅助声源在耦合腔内建立一个恒稳的声压,这时两个传声器输出电压的比值等于在声压相同情况下,两个传声器声压灵敏度的比值。,耦合腔互易法的校准频率范围为502000 Hz,精度为0.05 dB。若将耦合腔中充以氢气,则校准频率可以扩展到10 000 Hz,精度约为0.1 dB。耦合腔互易法是当前精度最高的一种绝对校准法,几乎所有国家的声压计量基准都是采用该方法建立的。,2自由场互易法,自由场互易法与耦合腔互易法类似,但它给出的是声场灵敏度,并且校准要在消声室内进行。待校准的传声器不必是可逆的,但需要使用一个辅助的可逆传声器。先将辅助传声器用作声源,测量放在距离,d,处作接收用的校准传声器的开路电压,然后用一个恒定输出的辅助声源作发射器,将前面两个传声器放在该声源产生的声场中相同的位置,测出两个传声器的开路电压,按照IEC-468的校准公式的推导和计算可以求出待校传声器的自由场灵敏度。,3 活塞发生器法,活塞发生器包括一个刚性壁的空腔,一端用待校准的传声器作底,另一端连接一个小圆柱体。在圆柱体中,活塞用凸轮或弯轴推动作正弦运动,只要测定活塞运动的振幅,就可以求出腔内声压的有效值。活塞发生器适用于低频率时校准传声器,频率上限为机械振动的允许速度所控制。活塞发生器可以用来校准精密声级计。,用活塞发生器校准传声器灵敏度的方法很简单,先使待测传声器与活塞发生器耦合,接通活塞发生器的电源,使它在传声器的膜片前产生一个恒定的声压,这时,传声器的输出经放大器放大后,用电压表测出给定声压级时的输出电压。,然后移开活塞发生器,将和活塞发生器产生的声压频率相同的电压串接入传声器输出端,调节电压大小来获得相同的输出。传声器在该频率的灵敏度就是串接的电压和所加声压的比值。,4 静电激励器法,静电激励器包括一个开槽板,安装在传声器膜片前,在开槽板和膜片之间加上极化电压并串接入信号电压,当输入电压为800 V、交流信号电压为30 V时,传声器膜片上的有效声压约为1 Pa（94 dB）。,静电激励器产生的力和频率无关,所以它可以用来计量电容传声器的频率响应,其准确度可以达到0.5 dB。如果需要绝对计量,可以和一已知标准比较,或者用互易法进行绝对校准。,5 其他声级校准器校准,1）声级校准器,声级校准器用以对声级和其他声学计量系统进行声压的校准。它包括一个性能稳定的1000 Hz振荡器和压电元件,产生的恒定声压为1 Pa（94 dB）。在现场用它来校准传声器,准确度可达到0.25 dB。如果不用膜片,而直接用压电晶体,频率可以提高到超高频,可以得到高声压。,2）高声强校准器,高声强校准器用电动激励器推动活塞。它的空腔较小,在164 dB的条件下可校准 12 mm、6 mm和3 mm的电容传声器。如果用脉冲信号源,校准声压级可以提高到172 dB。使用不同容积的耦合腔时,其校准频率范围为0.011000 Hz,校准的准确度约为1.5 dB,且不受空腔体积和大气静压力的影响。,10.2.3 水声计量,水听器就是水下传声器,是将水中声压转换成电压的一种声学换能器。标准水听器一般具有接收灵敏度高、一致性好、性能稳定等优点,因此,可以用来建立水声声压基准。,水声声压计量的基本原理与空气声压计量的原理相同,只不过需要在性能良好的消声水池或相应的液体中进行。实现水声声压单位的主要方法有耦合腔互易法、自由场互易法和压电补偿法。耦合腔互易法和压电补偿法可用来建立低频水声声压基准,前者一般可以在20 Hz3.15 kHz的频率范围内进行水听器校准,精度约为0.5 dB,后者的工作频率范围为12 kHz,精度为0.5 dB。水声自由场互易法用于建立高频水声声压基准,频率范围约为3200 kHz,精度约为1 dB。,10.2.4 超声计量,超声功率计量是超声计量最基本的内容。计量超声功率的方法很多,有力学法（辐射压力法）、电学法（声压法）、热学法（量热法）和光学法（声光衍射法）等,其中除量热法是直接计量外,其他方法都是间接计量,即通过计量其他物理量计算出超声功,1 辐射压力法,声波引起的一种力学现象称为辐射压力,在超声技术中,由于声强较大,声的辐射压力就成为一个较为容易计量的量,因而被用来计量超声声强和声功率。计量辐射压力,实际上就是计量声波作用在一障碍物上的力,如图10.2.1所示。如果障碍物的侧面积比声波波长大得多,则所受辐射压力为,式中:,r,为声能反射系数;,为入射声波与平板法线间的夹角;,S,为平板受声波作用的有效面积;,I,为声强;,c,a,为声速。,由式(10.2.4)可以得到声强和声功率分别为,(10.2.4),(10.2.5),(10.2.6),图 10.2.1 辐射压力示意图,测量辐射压力的方法很多,有天平法、扭称法和浮子法等。一般来说,天平法多用于超声功率标准的建立。对准确度要求不是很高时,可以采用较为简单的扭称法和浮子法。,辐射法的优点是装置简单、测量准确、容易实现、量程范围大,但不适用于聚焦超声场的测量。,2 声压法,声压法计量超声功率的基本原理就是通过标准超声换能器将声能转换成电能来进行测量。一般是通过测量自由声场的声压或混响声场的声压来计算声功率,因此这种测量通常是在消声水池或混响水池中进行的。,对于平面自由声场,声功率与声压的关系为,(10.2.7),式中:P为声压;S为测量包络面的面积;,c,a,为介质的特性阻抗。,应用这种方法,只要测出各点的声压,就可以求得总的声功率。这种方法测量点数多,计算相当复杂,难以在日常的检定工作中推广,而且精度也不高。但由于声压法可以准确测量出声场的分布情况,因此特别适用于聚焦超声场和脉冲超声场的测量。,3 量热法,量热法计量超声功率的原理是:利用工作介质吸收超声能后转换成热能而引起某些物理量（如温度、体积）发生变化,并根据这些变化计算出介质吸收的超声功率。利用量热法计量超声功率时,一般希望工作介质将传递给它的声能全部吸收,因此需要选择高吸收的工作介质。另外,由于介质对声波的吸收和频率的平方成正比,所以量热法对高频更有效。,量热法的优点是可以测量聚焦换能器的功率,量程大,但只适用于高频和吸收系数大的介质,且装置比较复杂,测量比较费时。,4 声光衍射法,声光衍射法计量超声功率的原理是Raman-Nath衍射,即超声波通过液体时,会使液体的密度产生疏密变化,因而液体的折射率也发生相应的变化,产生相位光栅,调制与其垂直的单色光束后,引起的,m,级衍射光的光强与Raman-Nath参数的,m,阶贝塞尔函数的平方成正比。通过测量,m,级衍射光强的相对值,就可以计算出超声功率。,声光衍射法测量精度高,对声场无干扰,能测出换能器辐射表面很近处的声功率,但局限于透明介质中的测量。,10.2.5 听力计量,由于听力计量与人耳有关,这就决定了听力计量的基准器除了要能够复现物理量的量值以外,还应体现人的实际听觉特性。听力计量的标准器主要有标准仿真耳和标准仿真乳突,工作计量器具主要有听力计。,听力计是用来测量人的听觉能力的一种工作计量器具,一般由振荡器、衰减器、放大器和耳机（气导耳机和骨导耳机）组成,是听力计量中使用最多的计量器具。测量时,一般是用听力计发出频率、大小可控制的电压加在耳机上,求得在人耳可听到的最小电压,耳机的输出由标准器来校准。,听力计的种类很多,按信号类型可分为纯音听力计和语言听力计,按工作方式可分为手动听力计和自动听力计,按用途可分为诊断听力计和筛选听力计。,标准仿真耳是一种模拟人耳物理特性（声阻抗）的标准化仪器,可用来检定听力计或计量助听器和耳机。仿真耳主要是一个耦合腔,腔内有传声器可测量听力计产生的声压级。,标准仿真乳突是一种模拟人体头部乳突和前额位置机械阻抗的电声仪器,内部装有动态力和加速度的传感器,计量频率范围是50 Hz10 kHz,是检定听力计的骨导耳机和助听器的骨振器的标准仪器。,10.2.6 噪声计量,从生理学观点来看,凡是使人感到烦躁的、讨厌的、不需要的声音都是噪声。而从物理学观点看,噪声是由各种不同频率和强度的声音无规律地杂乱组合而形成的。随着工业的发展,噪声污染也日趋严重,因此噪声计量越来越受到重视。,相对于声压级来说,用声功率级来评价噪声的大小有许多优点。因为声压级的大小随测试环境和距离的变化而不同,而声功率级是从能量的观点来评价噪声大小的,对于某一特定的声源,其声功率级是一个常数,不受外界条件和测试距离的影响。因此,噪声声功率级的计量是噪声计量中一项十分重要的内容。,声功率级的计量方法很多,按测量精度可分为精密法、工程法和简易法;按测试环境可分为消声室法、半消声室法、混响法和现场法。,1 消声室和半消声室计量噪声功率级的精密方法,消声室是指室内六个面都铺有吸声材料,声吸收系数达到99以上的实验室。半消声室是指房间有五个面铺有吸声系数达99以上的吸声材料,而地面是全反射面的实验室。,这种计量方法适用于宽带稳态噪声、窄带稳态噪声和非稳态噪声等噪声源类型。,测试频率范围为10010 000 Hz,精度为0.51 dB（消声室）和1.01.5 dB（半消声室）,在所有噪声功率级计量方法中是精度最高的。但由于该方法对测试环境的要求很高,在一般情况下很难满足,因此主要用于计量部门检定标准噪声源。噪声功率级的计算公式为,式中:为包络面上的平均声压级,S,为包络面的表面积;,S,0,为基准面积,等于1,m,2,;,C,为温度和气压修正值。,(10.2.8),2混响室计量声功率级的精密方法,混响室是指房间六个面均由硬质面光滑材料构成,形成全反射条件,平均吸声系数不大于0.06,并且室内装有不同形状的扩散体,以取得声场均匀分布的测试室。在混响室中计量噪声声功率级不需要规定计量表面（包络面）,只要把噪声源置于混响室内,计量室内的平均声压级就可以了,其计算公式为,(10.2.9),式中:为混响室内的平均声压级;,V,为混响室的体积;,T,为混响时间;,S,为混响室内表面积;,为测试频带中心频率的波长。,3工程法,前面介绍的计量噪声声功率级的两种方法都必须在特殊的声学实验室中进行,虽然准确度较高,但对测试环境和仪器设备的要求都比较高。在实际