淺析聲級計的工作原理及結構

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。它廣泛用于環境保護、機械制造、醫療衛生、建筑設計、衛生防疫、交通運輸及國防等各個領域，研究聲級計的原理與結構為了在今后聲級計的計量檢校過程中用更科學的方法來解決遇到的問題。

關鍵詞 ：聲級計 頻率計權 放大器

一、 聲級計的概況

聲級計是測量頻率計權和時間計權聲壓級的儀器，它能夠把工業噪聲、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。尤其以聲級這一指標最為關鍵，上述描述聲的指標除頻率外，均與聲級有關或者可又聲級導出。聲級計讀數是相應于全部可聽聲頻率范圍內按規定頻率計權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特性有A，B，C，D等四種計權網絡，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） 按照測量的內容不同分為三類：

1. 測量指數時間計權聲級的常規聲級計

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 級聲級計的準確度誤差為±0.7dB。

2. 2 級聲級計的準確度±1.0dB。

（三） 按照對電磁兼容的要求分為三組：

1. X組聲級計，其標稱工作模式是使用內部電池，測量聲級時不需要連接其他外接設備。

2. Y組聲級計，其標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備。

3. Z組聲級計，其標稱工作模式是要求兩項或更多的設備，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：能夠以數字形式直接顯示出某一測量時間內被測測噪聲的等效連續聲級。積分聲級計還能顯示聲暴露級Lax 。

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

5. 噪聲統計分析儀：用于環境噪聲監測，并且進行統計分析的聲學測量儀器，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。用于各種工業噪聲的頻譜分析，還可用于環境噪聲測量。

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

三、 聲級計的結構及其工作原理

（一） 聲級計總體結構組成

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定的和頻率響應可控的放大器、經頻率計權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字的，頻率計權、時間計權、平方、時間積分、時間平均等功能可全部由計算機完成。

（二） 常規聲級計的工作原理及示意圖

圖1所示為常規聲級計的原理示意圖。

傳聲器將聲信號轉換為等效的電信號，現代聲級計基本上都是采用12.7mm的電容式測試傳聲器。由于傳聲器產生的電信號非常微弱，在處理前需要前置放大器放大。經過頻率計權，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準化的A頻率計權。頻率計權后的信號經放大，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） 聲級計主要組成結構概況

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、頻率響應平直、失真小、動態范圍大、尤其是穩定性要好。按照換能原理和結構的不同，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、頻率響應平直、靈敏度變化小、長時間穩定性好等優點，常用于精密聲級計和標準聲級計中，也是現在聲學測量中運用最多的傳聲器。電容傳聲器的特點是內阻高，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，不足以產生指示數值，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，也可以是T型衰減器。在聲級計中一般都采用電阻串聯形式，這種形式比較簡單方便，而且由于頻率不高，一般不需要進行頻率補償。

5. 計權網絡

聲級計總共的計權網絡是一組根據一定要求進行頻率濾波的電網絡，通過它聲級計能夠進行聲級測量。聲級計至少要求有A、B或C三種計權網絡中的一種。由于A聲級應用最廣泛，因此聲級計中都有A計權網絡，有的還具有B計權網絡和C計權網絡。也有的聲級計還具有“線性”頻率響應，線性響應用來測量聲音的聲壓級（非計權聲壓級）。為了測量航空噪音，有的聲級計還具有“D”計權網絡。

6. 檢波器

為了提高峰值因數容量和擴大指示器直接讀數范圍，聲級計使用了對數有效值檢波器。該檢波器利用二極管電流與電壓之間的正向指數關系特性，以對數方式變換輸入信號，然后將此信號放大2倍以上實現平方，并在整流和時間常數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成正比，因此指示器可直接按dB線性分度，對數有效值檢波器具有真實的平方特性和很高的峰值因數容量，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。它不僅運用于應用在聲學理論研究和電聲測量中，而且已經廣泛用于環境保護、機械制造、醫療衛生、建筑設計、衛生防疫、交通運輸及國防等各個領域，并被列入國家強制檢定的計量器具。進一步了解聲級計的原理及其結構，能夠用更好的深入理解JJG 188-2002 《聲級計檢定規程》，并且在今后聲級計的計量檢校過程中用更科學的方法解決遇到的問題。