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  • 2024-12-05

  • 发表了主题帖： 声音响度测量

    引言 当人们对噪声特性获得一定认知度后，听觉系统就会在噪声物理特性和发声体的功能与品质等方面形成特定的感知联系，并形成特定的心理感知需求和期望。人们对这种现象的关注是噪声研究由声级声学（物理方面）向声品质（心理方面）发展的直接源动力，反映了科学研究由客观参量走向主观参量，由唯物的研究进入“以人为本”的研究的发展趋向。自上世纪九十年代以来，声品质的概念被创造和定义，并成为国际性的新兴研究领域和研究热点。 被国际学术界广泛认同的完整的声品质定义首先由Blauert给出：“声品质是在特定的技术目标或任务内涵中声音的适宜性”。声品质定义中的“声”并不是单纯指声波这样一个物理事件，而是指人耳的听觉感知，“品质”指由人耳对声音事件的听觉感知过程并最终做出的主观判断。Blauert的定义给出了声品质概念的三方面内涵。首先是称作“声品质元素”的发声部件，例如剃须刀中的马达、刀片、支架、腔体；其次是听觉感知，使用者暴露于机器发射的可听频率声波的声场中，并听到声音，开始其听觉感知的过程，这一过程构成了声品质概念中的“听觉事件”；最后是使用者根据对某种机器（发声体）的心理期望，判断机器发射声音的优劣，在这一过程中加入了使用者的认知和心情等主观因素。主观判断的前提是使用者或心理声学中的受试者（统称为评价者或评价主体）对机器的噪声发射有先验的了解或知识，并具有明确的对噪声特征的心理期望，这样受试者才能将听觉事件与噪声的心理期望特征进行比较，从而做出声品质优劣的判断。声品质的形成过程可以用图1表示。 图1 声品质形成过程 从声品质的定义中可以看出，声品质并不是一种发声体或机器内在的量。因而，声品质不能简单地描述为物理量，而必须通过人参与到听觉事件中，并根据主观心理期望进行判断，才能产生声品质。所以，声品质研究必须注重人类听觉的心理学特征和过程。   从心理学的角度来看，声品质具有以下三方面的特征： （1）激励响应相适性，即声音的刺激与人耳听到声音后所做出的反应及行为要一致； （2）声音的舒适性，即声音要给人带来满意、愉快以及轻松的享受； （3）声或声源的可识别性，即赋予声音的涵义能被正确辨别和诠释。 1. 声品质基本评价量 在声品质评价中，有一系列基本特性量被认为适宜于描述听觉事件，主要包括：响度、尖锐度、粗糙度、波动度和音调度等。 1.1 响度（Loudness） 响度是对声音强度的一种感受，是人们对声音感知影响最大的一个参考量。声音的响度不仅与声压级相关，还与声音的频率相关。下图为著名的弗莱彻-蒙森曲线（Fletcher–Munson curves），即等响曲线。等响曲线的横坐标为频率，纵坐标为声压级。在同一条曲线之上，所有频率和声压的组合，都有着一样的响度。最下方的曲线表示人类能听到的最小的声音响度，即听阈。等响曲线反映了响度听觉如下特点： 声压级愈高，响度一般也愈高； 响度与频率有关，相同声压级的纯音，频率不同，响度也不同； 对于不同频率的纯音，提高声压级而引起的响度增长，也有所不同。 图2  等响曲线   通过对响度及其依赖关系以及掩蔽效应的研究发现，对于两个频率不同的纯音A和B，将其叠加成复合音C，C的响度与A、B之间的频率间隔存在直接关系。如果纯音A、B在同一临界带内，则两者的频率间隔越大，复合音C的响度越大；当A、B的频率间隔超过临界带宽时， C的响度将等于A、B响度之和，此时两纯音之间不再相互影响。因此在构造响度模型时，把激励声级对临界带率模式作为基础。将总响度L看成是特征响度L'对临界带率的积分，即：                                                                1.2 粗糙度（Roughness） 当声音的调制频率在15~300Hz范围内即可产生粗糙感，并非要周期性调制，这是大多窄带噪声即使没有包络和频率的周期性变化，也能产生粗糙感的原因。将调制频率为70Hz，调制幅度为100%，声级为60dB的1kHz纯音粗糙度定义为1 asper。 频率分辨率和时间分辨率是影响粗糙度的两个主要因素。频率分辨率由激励模式或特征响度随临界带的关系决定。当调制幅度为25%时，粗糙度达到其最低值0.1 asper，调制幅度每增加10%，相应粗糙度增加17%，因此将可听粗糙度划分为20个级别。当粗糙度变化1.56倍时，我们即可察觉到粗糙度的差异。 粗糙度是由激励模式随时间变化引起的，非常缓慢的变化不会产生粗糙度的感受，可见粗糙度正比于变化速度，即调制频率。此外，通过掩蔽分析可知，粗糙度与掩蔽深度成正比关系。 1.3 尖锐度（Sharpness） 尖锐度是描述高频成分在声音频谱中所占比例的物理量，它反映了人们主观上对高频段声音的感觉，反映了声音信号的刺耳程度。声音的频谱成分、中心频率和声音的带宽都会对声音的尖锐度产生影响，而声音的频谱包络对尖锐度的影响最为显著，相比之下频谱细部结构对尖锐度的影响则不那么明显。在一个临界带宽内带宽的变化与尖锐度无关。 从心理声学的角度来看，频谱包络表示激励声级与特征频带率的关系模式，或称为特性响度与特征频带率的关系模式。根据窄带噪声的尖锐度随特征频带的变化关系，以及低频成分的增加可降低尖锐度的特点，可以采用冲量因子g来构造尖锐度模型，在16Bark以下的频带g为1，而在16Bark以上的频带g大于1。采用特性响度与特征频带率的关系模式作为分布函数，可以构造出如下的关系式：                             式中，L'(z)为临界频带（Critical Band，CB）内响度密度的积分，比例常数C=0.11，根据1kHz声压级为60dB时，尖锐度为1 acum来确定。 1.4 波动度（Fluctuation Strength） 听觉系统对经过调制的声音有两种不同的感觉：当调制频率在20Hz以下感知为波动度，而在高频则感知为粗糙度。在20Hz附近是听觉感知的平稳过渡区域。将60dB频率为1kHz的纯音，以4Hz纯音进行幅值调制，调制度为100%声音的波动度定义为1 vacil。波动度呈调制频率的带通特性，最大值在调制频率为4Hz处，即4Hz的调制频率将产生较大的波动度。人耳听觉系统的频率分辨率为4Hz，流利语音的正常速率为４音节/秒。 1.5 音调度（Tonality） 音调度是一种心理声学指标，表示音调分量在其周围频率成分中的相对比重，从而确定其对声音感知的贡献。量化音调度意味着将人耳对声音的“音调”感知转化为客观指标。声源的音调度是提高产品声音品质的主要指标之一，在汽车、航空、铁路或消费品等工业领域中被广泛使用。 表1  音调度指标 音调度指标 单位 标准 纯音突出比       （Prominence Ratio，PR） dB ECMA 74 Annex D和ISO7779:2018 音调噪声比            （Tone-to-Noise Ratio，TNR） dB ECMA 74 Annex D和ISO7779:2018 音调识别度（Tonal Audibility） dB ISO1996-2 Annex C 音调调节（Tonal Adjustment）Kt ISO 1996-2 dB ISO1996-2 Annex C 音调调节（Tonal Adjustment）Kt DIN45681 dB DIN 45681:2005-03 Aures音调度（Aures Tonality） tu（音调度单位） Aures的模型 心理声学音调度（Psychoacoustic Tonality） TuHMS       （Sottek的听觉模型） ECMA 74 Annex G   总结 随着现代科技的进步，人们愈加注重生活品质，声品质测试的应用在各个行业中也愈加广泛。当新产品面临上市时，需要对其进行声品质测试，以确保其有较强的竞争力。NTS.LAB声品质分析模块具有强大且全面的信号处理能力，该模块不仅包含上述基础声品质分析功能，针对不同的参数还具有多个可选的计算标准，包括国标、ISO标准、ECMA标准、美标、德标等。同时NTS.LAB还提供了其他丰富的声品质计算功能，例如高分辨率谱分析（HSA）、听觉模型谱分析（HMS）、语音清晰度指数（AI）、语言可懂度指数（SII）等，能够从多个角度、多个方向对产品进行声品质分析，从而了解产品各指标的特点，并充分考虑这些指标的局限性和不足之处，针对具体情况进行选择和结果判断，从而对其声品质进行改善。    

  • 2024-11-26

  • 发表了主题帖： 高温动态应变测试

    高温动静态应变测量主要面临以下的挑战 一、高温测量环境下，普通应变计不能区分哪些是期望得到的机械载荷变化产生的应变，哪些是测试材料随温度变化产生的膨胀，这种由于热膨胀造成的应变读数通常被称为“视应变”或“热应变”。 二、高温测量环境下，应变计阻值随温度变化而变化，变化可能超过桥路的量程，将导致传统惠斯通电桥无法平衡，从而无法进行测量。 三、高温测量环境下，需使用特殊的高温应变计，而且常规铜材质导线不能承受高温，必须使用具有很高电阻的高温导线，而高温下导线电阻随温度变化而产生变化，常规测量方式会导致测量精度和线性度变差，影响测量结果。 四、高温测量环境下，存在较大的静电噪声和电磁噪声，而应变计处于非屏蔽工作环境，对各种干扰源比较敏感，常规方法测量会导致测量结果不可用。     针对以上问题，在高温环境下的应变计测量，最佳方式是采用对称恒流源激励技术。 对称恒流源激励技术 对称恒流源激励技术是采用一对完全匹配的电流源作为应变片的激励源，并使用一个差分放大器来测量应变计两端的电压值差，如图1所示。从图1中可以看出，它使用两个匹配的电流源形成“推-拉”的结构，一个往应变计“灌入”电流，另一个从应变计“拉出”电流。这两个匹配的电流源通过双绞屏蔽电缆连接到输入端并流过Rgage应变计。这种电路结构在物理和电子学方面都是对称的，因此具有很强的共模噪声抑制能力。另外，根据双级功率源共地的特点，应变计的直流电压是对称的，与单端电流源方法相比，对称设计具有两倍的信号一致性范围。在4线模式下，高输入阻抗的应变计信号传输线±signal将差分放大器的输入端直接连接到应变计两端，由于差分放大器具有极高的输入阻抗，应变计测量线上没有电流流过，因此用于传输应变计激励的导线中的电流并不会引起激励电流的下降，应变计测量数据将不会受到影响。对动态测量，2/4-wire开关可以设置成2线方式，输入可以是AC耦合，即只有应变计的动态波动被允许放大。由于差分放大器输入是一对对称平衡的差分信号，使得差分放大器具有极高的共模噪声抑制能力，允许使用同一片应变计进行静态和动态数据的测量。   图1 对称恒流源连接图 对称恒流源激励技术的优点 优点1：采用对称恒流激励技术，因为恒流激励不会受到电缆长度、阻值的影响，可以保证测量灵敏度和线性度。 优点2：对称布局提供了更多的优点：在图1中我们能看到，就作用于应变计和互联电缆的干扰噪声源而言，差分放大器的两个连接输入端，无论是物理特性、还是电气特性，都是对称的。只要适当注意一下布线和接线技术，两个对称的输入端的噪声拾取将几乎相同，因此后端差分放大器将显著降低对静电噪声和电磁噪声的敏感性。 优点3：对称布局的其它优点包括“改善对应变片故障情况的容忍度”，以及中点为零点的电流变化范围，能更好地利用信号调理器中采用的双极性电源。 对称恒流源激励技术使用一对匹配的电流源激励应变片，使用一个差分放大器测量应变计两端电压差，导线电阻对传递到应变计上的激励电流没影响，任何温度下不会降低应变计灵敏度；信号采集器采集的应变信号，无需增加通道增益；信号采集器内外连接完全对称，信噪比改善约40dB。 对称恒流激励技术与传统恒压源激励之间的区别 传统惠斯通电桥采用恒压模式，是应变测量最普遍的方法。在高温动静态应变测量中，惠斯通电桥测试法主要产生三种测量不确定度。 任何载流导线上的电阻都会导致应变计灵敏度降低。使用通道增益可以补偿降低的灵敏度，但是测量过程中延长线的电阻会随温度变化，造成乘常数测量不确定度。 惠斯通电桥的连接依靠载流导线电阻温度系数的精确匹配来保持电桥平衡。即使测试过程中这些导线上最轻微的热变化也可以使电桥输出产生显著的直流漂移。这种“零漂移”误差无法从测试件的机械应变区分出来，这样就造成一个加常数测量不确定度。 惠斯通电桥的连接在物理和电气上均不对称，无法抑制静电噪声及环境电磁噪声。 图2示意了用于动态应变测量单臂惠斯通电桥的连接方式。 图2 单臂惠斯通电桥连接 在图2中，其零漂主要是由于应变计焊接的扩展导线的电阻Rext引起的。 测量灵敏度定义为电路输出电压的变化与应变计电阻变化的比值。由扩展导线电阻Rext引起的测量灵敏度误差是两线连接惠斯通电桥测量较为棘手的问题。 图3显示的是100Ω单臂惠斯通电桥与应变计连接方式下，测量电桥灵敏度相对于导线电阻Rext的变化曲线。测量灵敏度随着导线电阻的增加而减小。如果导线电阻已知，灵敏度的下降可以用增加放大倍数或后处理修正方法进行补偿。如果引线电阻未知或随着温度漂移变化很大，则会引起明显的测量失真。 对称恒流激励技术是一种真正能抑制共模干扰信号的对称输入技术, 适用于单臂电桥。桥路的恒流激励不受导线电阻的影响，长导线测试时不会影响测量灵敏度，如图3所示。     图3 归一化测量灵敏度与导线电阻Rext的关系 另外，与单端恒流源激励方式或传统的恒压源激励方式相比，对称恒流激励技术使测量噪声大幅度减小。为了测试静电耦合模型，用一段3米双绞线电缆连接远处一个1KΩ的应变计上。扩展导线从导管中穿过，紧贴一根未屏蔽的二芯导线，二线导线中通入测试信号，用以表现耦合量级和噪音频率的关系。如图4所示，单端惠斯通电桥或单端恒流的噪声耦合每倍频程增加6dB。对于耦合电容约为16.4pF/m的测量结果是一致的。在所有测试频率上，对称恒流激励方式将有效耦合噪声削减了约40dB。 图4 非屏蔽二芯电缆的噪声耦合测试 汉航VS08板卡 对称恒流源激励技术提供一种使用2/4线连接、单应变计方式下精确测量动静态应变的方法。与单端恒流源或使用单臂惠斯通桥的结构相比，对称恒流激励使得应变计在任何导线电阻下都能得到精确的激励，由于高阻抗测量输入的只是应变信号，双绞线对称布局接法消除了应变计灵敏度下降和零点漂移误差，而不用担心导线的匹配特性。而且由于测量线是对称的，差分放大器的共模抑制提供了极高的抗噪能力，允许使用同一片应变计进行静态和动态数据的测量，因此，对称恒流源激励是高温动静态应变测量的最佳技术。 汉航自主研发的VS08板卡中内置应变调理模块，无需额外配备应变调理模块来进行应力应变测量。其采用对称恒流源技术，具有限流检测功能的对称桥式电源可设置为±0.5V至±5V，精度为 0.1%；最大电流为 20mA；感应线保证标称电桥电压与电缆长度无关。除此之外，汉航VS08板卡中还具有以下应变调理指标： 电流入射技术自动桥路平衡：(连续的平衡电流：0~20mA，步进5mA)，真正的桥路平衡恢复了标称电桥阻抗，将高应变水平的电桥非线性降至最低，而不影响电桥灵敏度。 低频噪声指标：在2V桥路电压激励和应变灵敏度为2的情况下（0.1Hz~100Hz）典型0.8μVpp或0.2μEpp。 桥路阻值补偿：内置的可选桥路连接，支持1/4（120、350、1K和用户自定义），1/2和全桥类型桥路平衡。 标定：在正负供电补偿线、分流补偿线、正负输入之间采用4个分流校准电阻（±0.12%），模拟应变。 过载检测：输入端模拟过压检测及ADC后端数字过压检测。 桥路支持：全桥、半桥、半桥旋转和四分之一桥。   汉航VS08板卡关键特性： 8通道ICP/电压/应变 支持LAN网络通信、支持LXI A类总线、支持IEEE1588v2 PTP精密时钟同步协议、基于Web的页面设置 每通道独立LED状态指示 内置Linux系统、支持在线/离线数据采集 9-36V直流或PoE供电 桥路支持：全桥、半桥、1/4桥，桥路阻值：120Ω、350Ω、1kΩ，支持电流入射技术进行桥路平衡 每通道独立24位Σ-ΔA/D，每通道独立采样频率204.8kHz 支持Linux系统、支持FPGA、内置独立硬件DSP处理 支持具有IEEE 1451.4 Class 1类接口的TEDS传感器 图5 汉航VS08板卡 通过多种调理电路技术，汉航VS08板卡在应力应变测试方面具有更高的准确性和可靠性。它具有高精度、低噪声、工作稳定等特性，不仅能够满足常温工况下的各种应力应变测量应用，并且在复杂的高温工作环境下依然具有优秀的抗电磁干扰能力，具有良好的动静态应变测量精度和稳定性。   应用 1、工程机械及制造设备 起重机、挖掘机、水泥泵车等工程机械的力臂等部位的应变应力、位移测试；油缸的压力、位移、温度、应变应力综合测试；机床导轨的残余应力测试。   2、航空航天、高铁、汽车、轮船等交通设备 航空发动机、汽轮机等处于高温工况下的结构的压力、温度、应变应力综合测试；车体、轮轴、高压输电弓等部位的应变应力测试。   3、电力、动力工程 电厂设备的强度测试，如核电站安全壳整体强度测试；水轮机轴及叶片的应变应力测试；蒸汽管道受热后的应变应力、温度、压力综合测试。   4、冶金、石油、化工 钢锭模表面热应力测试；油罐、压力容器、管道的压力、应变应力测试。  

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