2. 声学基础与测量链认知

在噪声源定位工程中，所有测量结果最终都要回答三个问题：声场有多强、能量从哪里来、能量有多少。声压、声强、声功率正是对应这三个问题的三个基本量。理解它们的定义、单位、参照基准以及彼此关系，是正确选择传感器、设置量程、判读结果的前提。

一、声压、声强、声功率：三个量的物理含义

声压 p 是声波传播时介质中某点的压强相对于静压的波动量，单位 Pa。人耳可听阈约 20 μPa，痛阈约 20 Pa，动态范围达 10⁶，因此工程上普遍使用级（dB）表示：

SPL = 20·log10(p_rms / p0)，p0 = 20 μPa

例如测得 p_rms = 0.2 Pa，则 SPL = 20·log10(0.2/2×10⁻⁵) = 80 dB。声压是标量，与传声器朝向无关（在自由场中），这是它最易测量的原因。

声强 I 是单位面积上通过的声功率，单位 W/m²，是矢量，方向为声能传播方向。其级值定义为：

SIL = 10·log10(I / I0)，I0 = 10⁻¹² W/m²

声强测量通常用 p-p 双传声器法：两只相位匹配的传声器相距 Δr，测得声压 p₁、p₂，用有限差分近似质点速度 u ≈ -(1/ρ)·∫(p₂-p₁)/Δr dt，再与平均声压相乘得到 I = p·u。声强的关键价值在于：在混响场或存在背景噪声时，声压无法区分能量流向，而声强可以只对“流出”方向的能量积分，从而在近场逐点扫描定位主要声源。

声功率 W 是声源在单位时间内辐射的总声能，单位 W，级值定义为：

PWL = 10·log10(W / W0)，W0 = 10⁻¹² W

声功率与测点距离无关，是评价产品噪声“固有属性”的量。在自由场中，若声源近似点源，则 W = I·4πr²，因此 PWL = SIL + 10·log10(4πr²)。例如在 r = 1 m 的球面上测得平均 SIL = 75 dB，则 PWL ≈ 75 + 11 = 86 dB。工程中常用声强法在包围面上积分求声功率，可有效抑制外部背景噪声影响。

二、时域与频域：同一信号的两副面孔

时域波形给出声压随时间的变化，适合观察瞬态、冲击、脉冲、周期性以及幅值包络。频域则把信号分解为不同频率成分，适合识别旋转机械的基频、谐波、边频带和共振峰。二者通过傅里叶变换相互转换。

实际分析中几个参数必须明确：采样率 fs 决定可分析的最高频率（奈奎斯特频率 fs/2）；频率分辨率 Δf = fs/N，N 为分析点数；加窗（如 Hanning 窗）用于抑制泄漏；平均次数用于降低随机噪声影响。例如 fs = 51.2 kHz、N = 6400，则 Δf = 8 Hz，可分析到 25.6 kHz。若关注 1 kHz 附近的电机谐波，8 Hz 分辨率足以分辨相邻边频；若关注低频 20 Hz 附近的窄带成分，则需增大 N 或降低 fs。

时域与频域并非二选一：噪声源定位中常先用时域观察事件触发，再用频域锁定特征频率，最后用声强或声阵列在该频率上成像。

三、HBK 测量系统组成与信号流

一套典型的 HBK 噪声源定位测量链包括：传感器（传声器、声强探头、加速度计）→ 信号调理与供电（如传声器前置放大器、CCLD 恒流源）→ 数据采集前端（如 LAN-XI 模块）→ 传输与同步 → 分析软件（如 BK Connect、PULSE Reflex）→ 结果输出（频谱、声强图、声功率、声源云图）。

信号流的核心是“保持量值可追溯”：传感器灵敏度（如 50 mV/Pa）→ 前端输入量程与耦合方式（AC/CCLD）→ 采样率与抗混叠滤波 → 数字信号 → 工程单位换算 → 分析参数 → 结果。任一环节设置错误，都会导致幅值或频率失真。

四、从测量链到结果判读

以一台小型风机噪声定位为例：在 1 m 处布置声强探头，采样率 51.2 kHz，N = 6400，Hanning 窗，平均 20 次。时域先观察转速脉冲与声压包络的对应关系；频域在 100 Hz、200 Hz、300 Hz 出现明显峰值，判断为基频及其谐波。随后在包围面上逐点扫描声强，得到 100 Hz 的声强矢量图，若某区域声强方向集中向外且幅值最高，则该处为主要声源位置。最后对包围面声强积分得到声功率级，与声压法结果对比，若差值在 1～2 dB 内，说明背景噪声影响较小，结果可信。