科學瞎想系列之六十一 說說雜訊

上節課老師說了振動，振動和雜訊是不可分割的孿生兄弟，振動在介質中傳播就形成聲波，聲波傳到寶寶們的耳朵里就形成了雜訊（也有說噪音的）。今天老師就給寶寶們說說雜訊。

1 嘛叫雜訊。按說雜訊是一個純物理學（聲學）的東東，在聲學裡定義雜訊就是亂七八糟的聲音，是物體做無規則振動時發出的聲音，它僅取決於聲波的客觀物理參數。但現實生活中，聲音畢竟是靠寶寶們的耳朵來聽的，而寶寶們的耳朵對各種聲波的反應卻不僅僅取決於聲波的物理特性，還取決於寶寶們複雜的生理結構和生理反應。比如：有些頻率的聲音寶寶們是聽不到的；有時描述雜訊的物理參數增大一倍而寶寶們的聽覺卻沒有感覺大一倍等等。因此在生理學上定義的雜訊與物理學上定義的雜訊是有所區別的。在生理學上凡是寶寶們聽了心煩的，妨礙寶寶們正常休息、生活和工作的聲音，以及對寶寶們要聽的聲音產生干擾的聲音統統都是雜訊。從這個意義上來說，雜訊的來源很多。街道上的汽車聲、安靜的圖書館裡的說話聲、建築工地的機器聲、以及鄰居電視機過大的聲音，都是雜訊。

2 用什麼表徵雜訊。既然雜訊是一種亂七八糟的聲音，那麼如何來描述雜訊呢？從純物理的角度來講主要用聲波的頻率、波長、聲壓、聲強、聲功率等參數來描述。剛才說了，由於寶寶們的耳朵所感受到的聲音除了與聲波物理量的實際值有關還與寶寶們的生理結構有關，因此從生理學角度通常用聲級或分貝值來描述雜訊的強弱。關於頻率、波長之類的物理量寶寶們都很熟悉了，老師重點說說聲壓、聲強、聲功率及聲級或分貝值的概念。

2.1 聲壓。寶寶們知道，聲波在空氣中是一種縱波，即當聲波在空氣中傳播時，空氣的壓強會比無聲波時有所變化，空氣壓強時大時小，寶寶們的耳膜感受到這種壓力變化後就聽到了聲音。我們把聲波引起的這種氣壓變化稱為聲壓，由於聲壓是隨時間波動的，我們把某點在某一瞬時的聲壓值稱為瞬時聲壓；把瞬時聲壓中的最大值稱為峰值聲壓（也稱巔值聲壓）；把瞬時聲壓在一定時間內的方均根值稱為有效值聲壓。我們平常說的聲壓，通常就是指有效值聲壓。即：

P＝〔(1/T)·∫p2(t)dt〕^?

其中T為積分時間；p(t)為瞬時聲壓。

正常寶寶們的小耳朵對1000Hz的純音（按正弦變化的聲音）很敏感，因而我們就在該頻率下說事，在該頻率下寶寶們能聽到的最低聲壓叫做聽閾（yù）聲壓（注意不是「閥」，沒文化的寶寶才這麼念！），聽閾聲壓為P0＝2×10^-5Pa。隨著聲壓的增大，寶寶們會感覺到聲音增大，直到增大到寶寶們要崩潰，對寶寶們的耳朵產生機理性損害的最大聲壓稱為痛閾聲壓，這個痛閾聲壓為20Pa。

2.2 聲強。聲音的傳播總是伴隨著能量的傳播，因此可以用某點垂直於聲音傳播方向上單位面積所傳出的聲功率來表徵該點聲音的強弱，這就是聲強。即：

I＝P2/ρc

其中ρ為介質密度；c為聲速；ρc稱為介質的特性阻抗。與聲壓閾值對應的聽閾聲強為I0＝10^-12W/m2；痛閾聲強為1W/m2。

2.3 聲功率。以上物理量都是反映某一點雜訊的強弱，反映整個聲源發出雜訊的大小常用聲功率來描述。聲功率就是聲源在單位時間內輻射出的總的聲能量。即：

W＝∮IdS

其中I為聲強；S為圍繞聲源的閉合傳播面積。相應的聽閾聲功率W0為10^-12W，痛閾聲功率為1W。

2.4 聲級和分貝值。前面說的都是反映雜訊固有特性的物理量，但寶寶們的耳朵都是肉長的，有很大的阻尼作用，對這些客觀物理量的感覺並不是線性的，也就是說那些物理量增大一倍，寶寶們的耳朵並不是感覺大了一倍，而是成對數衰減的感覺，即聲壓（聲強或聲功率）大10倍，我們的耳朵才感覺大一倍；聲壓大100倍，耳朵感覺大二倍，以此類推。為此我們就引出了一個聲級的概念。所謂聲級就是以聽閾值為基準，實際雜訊值（聲強或聲功率）與其聽閾值相對倍數的對數再乘以10叫做聲級，用分貝（dB）表示，由於聲功率正比於聲壓的平方，因此如果用聲壓表示聲級時應該是那個對數的20倍。即：

Lp＝20lg(P/P0)

Li＝10lg(I/I0)

Lw＝10lg(W/W0)

我們耳朵的聽閾聲級為0dB，痛閾聲級為120dB。

2.5 響度級。前面說了，寶寶們的小耳朵都是肉長的，它不僅對傳來的聲音具有阻尼作用，還會挑肥揀瘦，即使同樣的聲級，頻率不同其感受也是不同的，通常我們的耳朵對高頻聲波比較敏感，對低頻聲波感覺就遲鈍一些，這就是為什麼寶寶們一聽到美女的聲音就那麼激動萬分。既然我們耳朵對不同頻率的聲波感受不一樣，我們就可以把不同聲級不同頻率但聽起來響度一樣的聲波連成一條線，這條線叫做等響度曲線。定義：以1000Hz的純音為基準純音，若某一雜訊聽起來和某聲級基準純音一樣響，那麼我們就稱這個基準純音的聲壓級就是該雜訊的響度級，用LN表示，其單位叫Phon（方）。根據以上定義，科學家們對成千上萬個寶寶們的小耳朵進行了無數次的實驗測試和統計，終於繪出了聲壓級和響度級的關係曲線——等響度曲線（如下圖）。

其中最下面的一條(LN＝0Phon)是人耳能聽到的最小臨界值，稱之為聽閾限等響度線；上面(LN＝120Phon)的一條是痛閾限等響度線。二者之間的就是正常寶寶們所能聽到的全部聲音的響度級。從等響度曲線可以看出，寶寶們的耳朵對3～5kHz的高頻聲音最敏感，而對的50Hz以下的低頻聲壓很不敏感。

寶寶們能聽到的頻率範圍為20～20000Hz，低於20Hz的聲波再強也被我們的耳朵過濾掉了，根本聽不見，我們把這些聲波稱為次聲波；頻率高於20000Hz的聲波，寶寶們的耳朵同樣把它過濾掉了，也聽不見，我們把它稱為超聲波。值得一提的是，雖然寶寶們聽不到次聲波和超聲波，不代表其他阿貓阿狗的聽不到！也不代表那些聲波沒有用或沒有害。比如蝙蝠就是靠超聲波來探測障礙物的距離，用耳朵充當眼睛的。超聲波和次聲波有時對我們也很有用，平常我們用的B超就是利用超聲波來檢查寶寶們身體的；潛艇在水下的通訊聲納就是用次聲波來傳遞信息的。我們還可以用人聽不到，但對騷擾我們的小動物（如蟑螂、老鼠）卻極其敏感的聲波來讓它們心煩直至崩潰。

3 雜訊怎麼測。老師知道寶寶們大多是搞電機的，因此老師就重點說說電機的雜訊測試問題，關於電機雜訊的測試及限值，國家出了一個標準，就是GB10069《旋轉電機雜訊測定方法及限值》，裡面詳細規定了各種電機雜訊測試的方法、安裝條件、測試環境、測試儀器以及數據處理和限值。需要特別得瑟一下的是，這個標準老師也是主要起草人之一！牛X不！關於標準的詳細內容老師這裡不多啰嗦，免得寶寶們又嫌太長煩人。老師就撿重點說說，詳細的自己看標準。

3.1 聲級計。聲級計是雜訊測試的基本儀器，聲級計由傳聲器、放大器、衰減器、計權網路、對數計算等部分組成，其它部分功能就不說了，只說說「計權網路」是個神馬鬼。前面說了，寶寶們的耳朵具有挑肥揀瘦的功能，對自己「喜歡頻率」的聲音很敏感，對「不喜歡」頻率的聲音就大幅過濾，為了使測得的聲音與寶寶們耳朵聽到的感覺一致，於是就模擬寶寶耳朵的挑肥揀瘦特性，用電路做了一個能給各種頻率聲音「打分乘係數」的東東，寶寶們喜歡的頻率打係數高，不喜歡的係數低，分別打完分後再想加，這樣就模擬出了寶寶們耳朵聽到的聲音響度，這個打分乘係數的東東就是計權網路。按寶寶們耳朵打分的叫A計權網路，簡稱A計權；除此之外還有按阿貓阿狗耳朵打分的網路（如B計權、C計權等），那些玩意除了像老師這樣的大牛人和專門搞雜訊分析的人用，一般寶寶們用不著，就不多說了。

3.2 測試環境。雜訊測試時所處的聲學環境對測試結果影響很大，同一台電機在不同的聲學環境下可以得出不同的測試結果，因此必須規定測試聲學環境，所謂聲學環境是指雜訊測試場所的聲場類別，分以下幾種：

①自由場。聲波可以無反射地向任何方向自由傳播的聲場叫自由場。自由場一般只有在消聲室內才能實現。

②半自由場。只有一個反射面上的自由場稱半自由場。通常是指半消聲室或室外硬地平面上無任何反射物的無限大空曠場地。

③混響場。對穩定的聲波能形成多次充分反射疊加的聲場。

電機雜訊測試時，有條件最好是在消聲室內進行，但大多數場合這是不現實的，工程上通常是在試驗站、大車間之類的場所進行雜訊測試，它類似只有一個反射面上的自由場，它即不屬於半自由場也不屬於混響場，屬於類似半自由場條件下測試，因此測試結果必須進行反射影響的修正。這種類似半自由場應該符合以下條件，一是地面必須是堅硬、平坦的反射面，且面積要足夠大，必須大於被測電機測量面投影面，各邊超出不小於1米，地面吸聲係數不大於0.06；二是測試區內應無妨礙聲擴散的任何障礙物，如果有離被測電機較近的牆壁等反射面，也可以在其表面掛一下吸聲材料（如棉被、海綿板之類）防止形成聲反射。

篇幅所限，關於雜訊測試老師就強調這些，有關測試方法、背景雜訊修正、電機安裝、運行條件等要求，標準里都有詳細規定，老師就不啰嗦了！

通過兩篇的瞎想，老師給寶寶們科普了一下振動和雜訊的基本知識。關於電機的振動和雜訊與電機設計、電機製造那些因素有關，各種振動、雜訊源的特徵以及如何在電機及其系統設計時減振降噪，那是高年級寶寶電機設計的課程，老師會在以後的瞎想中慢慢地說。敬請期待吧！