聲音量測

下圖1為聲音的量測,可透過Time domain/Frequency domain power spectrum/Sound Intensity來分析。

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圖1. Sound Analysis

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圖2. Sound Intensity

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圖3. Sound and Noise

噪音為機械波,必需有彈性介質來傳送,且為縱波

音速 : c = 20.05√K   (m/s)   K:絕對溫度

c =λf = λ/T       λ:波長,f:頻率,T:週期

正常聽力的人耳可聽到的聲音範圍為「20~20k Hz」,波長在「17~1.7 m」之間。

聲音係因物體振動而產生大氣壓立的擾動,空氣形成濃淡,濃處為空氣被壓縮,氣壓比平均值高;淡處空氣稀薄,氣壓比平均值低。故音波為:

 

音壓(sound pressure): 擾動聲音係因物體振動產生大氣壓力,故音波造成以大氣壓為中心的來回壓力變化為音壓(單位P,Pa = 1 N/㎡ ,Pascal)。

人耳所能聽到的音波音壓範圍約為 20μPa ~ 60μPa 。而20μPa(0.0002μBar)係人耳所能聽到最微弱聲音之音壓稱為基準音壓,以P0表示。

聲音是種能量,自一音源所射出之功率,即單位時間所輸出的能量稱為音功率(sound power)(單位W,watt)。

 

音強度(sound intensity):為單位時間垂直通過單位面積的能量稱之(單位I,W/㎡)。

I = P^2 / ρc                        c:音速    ρ: 介質密度

音壓 20μPa 相當於音強度 10^-12(W/m^2),20Pa相當於1(W/m^2)。

一自由音場點音源其功率 W 與距離音源 r 處表面積為 S 之音強度 I間的關係為:

I = W/S = W/(4πr^2)

 

分貝(deci Bel):物理量 Q相對於參考(基準)物理量Q0的對數值稱為貝(bell),但在計算音量時,數值太小,而放大10倍。故分貝是貝的 1/10 (deci)。

dB = 10㏒ ( Q / Q0 )

噪音通常以噪音物理量之對數值表示,有下列數種:

1.  音壓級(sound pressure level):      Lp   =20㏒ P/P0  ,P0=基準音壓,20μPa

2. 音強度級(sound intensity level):  Li =10㏒ I/I0  , I0=基準強度,10^-12 W/㎡

3. 音功率級(sound power level):        Lw  =10㏒ W/W0 , W0=基準音功率,10^-12W

P 為音壓,I為聲音強度,W為聲音功率

人耳可聽到最微弱聲音以音壓級表示為0 dB,而於音壓200Pa下耳膜會有痛覺,以音壓級表示為140dB。

音壓級20μPa ~ 200Pa  相差 10,000,000倍:以分貝表示為 0 dB ~ 140 dB ,於應用較為方便。

人類之聽覺範圍自20Hz~20kHz,不可能對這個聽覺範圍內每一頻率測定音壓級,而只對此範圍內幾個頻帶於以測定,所測定之頻帶範圍為頻帶寬度,其上限頻率以f2表示,下限頻率以f1表示,或稱截止頻率(cutoff frequency),有下列關係:

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問題1.

應如何從 100 dB 的噪音中擷取訊號?應如何於量測中減少背景噪音?