什麼是聲音？

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通過《什麼是聲波？》一文已經明白聲音的傳播實質上是聲波的傳播過程，物體振動產生聲波，聲波被人或其他動物的聽覺器官所感知，才稱為聲音。我們將正在發聲的物體稱為聲源，因而聲音總是包含一定的頻率範圍，人耳可聽的聲音頻率範圍從20Hz到20KHz，在這個範圍內，哪怕聲壓級大小完全相同，但人對相同聲壓級的感覺也不一樣。低於20Hz的聲音，稱為次聲，高於20KHz的聲音，稱為超聲。狗和貓等動物可以聽到高達50KHz的聲音，狗和大象可聽到12Hz以上的次聲。

人和動物既可作為發聲的聲源，也可作為接受聲音的接受者，但當作為聲源和接受者時，二者的頻率範圍是不相同的，如下表所示。作為聲源時頻率範圍較窄，而作為接受者時頻率範圍較寬。

在這裡，我們主要考慮人耳可聽範圍內的聲音，也就是20-20KHz頻率範圍內的聲音。主要介紹以下內容：

1. 什麼是純音；

2. 聲音的頻率成分；

3. 空氣聲與結構聲；

4. 聲音的傳播路徑；

5. 怎麼評價聲音。

1. 什麼是純音

只包含單一頻率成分的聲音，稱為純音，如敲擊音叉發出的聲音（256Hz），口哨聲等都可以稱為純音。在變速箱中，對於轉速穩定的工況，也容易出現純音（嘯叫），純音出現的頻率通常是各級齒輪的嚙合頻率或者它的倍頻。

如下圖所示是某齒輪箱在轉速穩定工況下的雜訊信號的頻譜圖，從這個圖上明顯可以看出，存在三個純音，而這三個純音則是當前檔位下各級齒輪的嚙合頻率或者是它的倍頻。

也有單位這樣判斷純音，對雜訊信號進行1/3倍頻程分析，如果某中心頻率處的聲壓級值比相鄰中心頻率處的聲壓級值大5dB（單位不同可能判斷的標準也有差異，如有的單位採用6dB）以上，則應為該倍頻程內存在純音。如上圖所示的信號，其1/3倍頻程如下圖所示，可以看出在1000Hz，1600Hz和3150Hz處的聲壓級值比相鄰中心頻率處的聲壓級值大5dB以上，因而可以判定在這些頻率處存在純音。這一點也可以從上面的頻譜圖中得到確認。

2. 聲音的頻率成分

通常，聲音的頻率成分不會簡簡單單地只有一個單頻成分，更多的是由多個純音，有限數目相關的諧波或無限數目不相關的單頻成分組成。如下圖所示，我們可以把聲音的頻率成分分成以下四種情況：

（a）有限數目的諧波純音，如在某個固定轉速下變速箱的嘯叫。嘯叫聲為某級定軸齒輪對的嚙合頻率以及其倍頻。

（b）有限數目的非諧波純音，當傳動裝置存在多個傳動路時，就會存在多個齒輪對，每個齒輪對都可能出現嘯叫聲，並且還有相應的倍頻成分。

（c）無限頻率成分的連續譜，這種頻率成分類似隨機雜訊，包括所有的頻率成分，並且無主要的頻率成分，如路噪就屬於這種情況。

（d）複雜頻譜：既有若干純音，又有連續的頻譜，也就是說既有隨機雜訊，又存在一些主要的單頻純音，如車內雜訊和飛機雜訊就屬於這種情況。

確定聲音的頻率成分，一定程度上能幫助我們確定雜訊產生的原因。另一方面，當需要降低雜訊時，很多時候，主要是降低幅值最大頻率處的雜訊成分，這是因為幅值最大的雜訊成分對總聲壓級貢獻最大，降低它的大小對降低總聲壓級最為有效。但有些時候，也不一定完全有效，除了考慮總聲壓級以外，還需要從聲學設計的角度來考慮，降低雜訊不是一個簡簡單單的「打鼴鼠」遊戲：誰高打誰。

3. 空氣聲與結構聲

在NVH領域，經常談到空氣聲與結構聲，這兩種聲音是如何界定的呢？

空氣聲與結構聲的區別在於傳播路徑的不同，空氣聲是指聲源發出的聲音直接向外輻射，在空氣中（路徑）進行傳播，最後到達接收者的位置。結構聲是指振源激勵結構振動，通過結構振動引起接收者附近的結構振動，振動的結構再向外輻射雜訊到達接收者的位置。如敲鼓聲則屬於空氣聲，影片中人耳貼近地面聽馬蹄聲則屬於結構聲。

如下圖所示，汽車發動機作為聲源或振源，首先振動通過懸置引起車身地板和車頂棚振動，振動輻射的雜訊直接到達接受者位置，則該聲音屬於結構聲。另一方面，發動機作為聲源，直接向空氣中輻射雜訊，這些雜訊通過一些孔洞傳遞到接受者位置，則這類聲音屬於空氣聲。

針對汽車而言，空氣聲聲源主要有發動機、變速器輻射的雜訊，發動機附機輻射的雜訊，例如水泵、發電機、風扇，進排氣雜訊，路噪和風噪等。空氣聲穿透車身隔吸聲材料到達車內，通過空洞和縫隙到達車內。

結構聲的主要源有動力系統、路面激勵懸架敲打車身，風噪激勵起結構局部振動。結構聲主要通過發動機懸置，與前壁板連接的管路、拉索，傳動軸，排氣系統吊耳等到達車內。如局部板結構被激勵起來後，會對車內輻射雜訊，會與聲腔模態耦合共振，空腔模態會與雜訊源的某些頻率共振。

通常，結構聲通過模態匹配進行控制；空氣聲通過聲學包裝進行控制。通常，在低頻時，結構聲占的比例較大；在中高頻時，空氣聲占的比例較大。

發動機轉速=3000rpm

4. 聲音的傳播路徑

在振動領域，我們講「源-路徑-接受者」模型，同樣的道理，在聲學領域，也談「源-路徑-接受者」模型。任何發聲的物體都可以當成聲源，聲源發出來的聲音可以在任何彈性媒介中進行傳播，也說是聲音的傳遞路徑（空氣路徑和結構路徑）更廣，最後傳遞到接受者位置，通常把人耳當作接受者。

聲學領域的「源-路徑-接受者」模型中，聲源可以是單個聲源，也可以是多個聲源同時發聲，各個聲源性質不同，變化不同。汽車的聲源主要分三類：動力系統（包括發動機、傳動系統和進排氣系統）、路噪和風噪。在汽車速度低時，發動機是主要雜訊源；在中速時，輪胎與路面的摩擦是主要雜訊源；在高速時，車身與空氣之間的摩擦變成了最主要的雜訊源。

對聲源進行雜訊控制是雜訊控制中最根本和最有效的方法。研究發聲機理，限制雜訊的產生是根本性措施。如減少振動、破壞共振、降低摩擦、減少碰撞，減少氣流壓力脈動等都能使聲源產生的雜訊降低。

聲音的傳遞路徑主要是兩條：空氣路徑和結構路徑。對傳遞路徑進行控制也是常用的辦法，如果從聲源上來降低雜訊受到局限，那麼從傳遞路徑上處理可能大有可為了，如隔聲、吸聲、隔振、減少振動幅度等都是有效的措施。通常用吸聲和隔聲來達到減小雜訊的目的，汽車上許多部分都安裝了吸聲材料和隔聲材料。使用不同的材料使傳遞路徑不連續也是方法之一，如使用減振墊等，改變路徑結構通常是採用優化設計使隔振效果最佳。

從「源-路徑-接受者」模型中的第三個方面，即接受者來考慮，也是很有必要的，比方佩帶耳罩或耳塞，或在隔聲間進行操作等。但從汽車行業來講，似乎更多的是從模型中前兩個方面來考慮，對接受者進行保護較少。在分析源-路徑-接受者模型時，最主要的又是接受體，一切從接受者出發，即應從顧客要求出發，來確定雜訊大小和聲品質。

5. 怎麼評價聲音

按「源-路徑-接受者」模型來評價聲音的話，通常對這三個方面進行以下評價：對聲源進行聲功率測量，用於評價聲源向外輻射雜訊的大小；對路徑進行雜訊源定位或者是對某學聲學材料或部件進行吸隔聲測試；對接受者進行客觀的聲壓評價和主觀的聲品質評價，如下圖所示。

對於作為聲源的機械設備或產品而言，通常要求聲功率滿足一定的標準，這樣才方便比較同類或不同種類機器輻射雜訊的大小，或用於檢測機器或產品是否超過雜訊規範的上限，或者產品或設備發出的雜訊達到相關地區，如歐盟的相關標準，才能在這些國家進行銷售等。通常聲功率不能直接測量，但可以通過測量聲壓或聲強獲得，如下圖所示為對某HVAC單元採用聲強法測量聲功率的現場照片。關於聲功率，後續將會有文章推出。

在聲音傳遞路徑上，通常使用一些吸聲和隔聲材料或部件，因此，需要測量材料的吸隔聲係數等參數。有時為了降低振動輻射的雜訊，會在結構表面粘貼阻尼材料。另一方面，也需要對路徑上的雜訊源進行定位，如果是穩態聲源，用聲強探頭即可進行聲源定位。如果是瞬態聲源，那則需要用到聲陣列來進行聲源定位了。

對接受者而言，聲音評價又分為兩個方面，即客觀評價和主觀評價。客觀評價通過客觀測量來評價，不以人的意志為轉移，最常用的參數是聲壓級。而主觀評價，則屬於聲品質的範疇，人不同，可能對同一個聲音的感受也會不同，因此，人對聲音的感受帶有主觀性。

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4.什麼是傳遞路徑分析？

5.常見的各種TPA方法介紹