聲學(xué)測(cè)量和聲學(xué)理論并非總是并行發(fā)展，Rayleigh勛爵有影響力的著作《聲音理論》的出版奠定了現(xiàn)代聲學(xué)的基礎(chǔ)。聲強(qiáng)是該理論的基礎(chǔ)，但是，在整整一百年后，才出現(xiàn)一種完全實(shí)用的測(cè)量聲強(qiáng)的方法。

聲壓和聲功率

聲源輻射功率，從而產(chǎn)生聲壓。聲功率是原因，聲壓就是結(jié)果。

思考下這個(gè)類比，電加熱器將熱量散發(fā)到室內(nèi)，而溫度則是結(jié)果，溫度也是使我們感到冷或熱的物理量。房間中的溫度顯然取決于房間本身、隔熱材料以及是否存在其他熱源。但是對(duì)于相同的電源輸入，加熱器發(fā)出的功率實(shí)際上與環(huán)境無(wú)關(guān)。聲功率和聲壓之間的關(guān)系相似。我們聽(tīng)到的是聲壓，但這是由聲源發(fā)出的聲功率引起的。

我們用傳聲器聽(tīng)到或測(cè)量的聲壓取決于與聲源的距離以及存在聲波的聲環(huán)境（或聲場(chǎng)），這又取決于房間的大小和表面的吸聲性。因此，通過(guò)測(cè)量聲壓，我們不必量化機(jī)器發(fā)出的噪音。我們必須找到聲功率，因?yàn)榇宋锢砹炕九c環(huán)境無(wú)關(guān)，并且是描述聲源的唯一參數(shù)。

什么是聲強(qiáng)

任何振動(dòng)的機(jī)械部件都會(huì)輻射出聲能。聲功率是輻射能量的速率（每單位時(shí)間的能量）。聲強(qiáng)描述通過(guò)單位面積的能量流率。在國(guó)際單位制中，單位面積為1平方米。因此，聲強(qiáng)的單位是瓦特/平方米。



聲強(qiáng)還提供方向的量度，因?yàn)樵谀承┓较蛏蠒?huì)存在能量流，而在另一些方向上則不會(huì)。因此，聲強(qiáng)既具有幅度又具有方向性，因此是矢量。另一方面，壓力是標(biāo)量，因?yàn)樗鼉H具有大小。通常，我們?cè)诜ň€方向上（相對(duì)于90°）相對(duì)于指定單位面積的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，聲能流過(guò)該單位面積。

還需要清楚的是，聲強(qiáng)是單位面積能量流的時(shí)間平均速率。在某些情況下，能量可能會(huì)來(lái)回傳播，這將無(wú)法衡量，如果沒(méi)有凈能量流，就沒(méi)有凈強(qiáng)度。

在下圖中，聲源正在輻射能量。所有這些能量必須通過(guò)包圍聲源的區(qū)域。由于聲強(qiáng)是單位面積的聲功率，因此我們可以輕松地測(cè)量包圍聲源的區(qū)域的正?？臻g平均聲強(qiáng)，然后將其乘以該面積即可得出聲功率。注意聲強(qiáng)（和聲壓）遵循自由場(chǎng)傳播的平方反比定律。



從圖中可以看出，在距光源2r處，包圍光源的面積是距離r處的面積的4倍。然而，無(wú)論距離如何，輻射的功率都必須相同，因此聲強(qiáng)（單位面積的聲功率）必須減小。

為什么要測(cè)量聲強(qiáng)

我們可以通過(guò)測(cè)量聲壓來(lái)確定物體的聲功率，但存在實(shí)際困難。盡管聲功率可能與聲壓有關(guān)，但只有在經(jīng)過(guò)仔細(xì)控制的條件下，才能對(duì)聲場(chǎng)做出特殊假設(shè)。特殊構(gòu)造的房間（如消聲室或混響室）可以滿足這些要求。傳統(tǒng)上，為了測(cè)量聲功率，必須將噪聲源放置在這些房間中。

但是，我們可以在任何聲場(chǎng)中測(cè)量聲強(qiáng)，無(wú)需做任何假設(shè)，這使得所有測(cè)量可以直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。即使在所有其他機(jī)器或組件都在輻射噪聲的情況下，也可以在單個(gè)機(jī)器或單個(gè)組件上進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)榉€(wěn)定的背景噪聲對(duì)基于聲強(qiáng)的聲功率測(cè)量沒(méi)有任何影響。



由于聲強(qiáng)既可以指示方向也可以指示幅度，因此在定位聲源時(shí)也非常有用。因此，可以就地研究復(fù)雜振動(dòng)機(jī)械的輻射方向圖。

聲場(chǎng)

聲場(chǎng)是有聲音的區(qū)域。根據(jù)聲波傳播的方式和環(huán)境將其分類。下面將描述一些例子，并討論聲壓和聲強(qiáng)之間的關(guān)系。僅在下面描述的前兩個(gè)特殊情況下，才確切知道這種關(guān)系。

自由場(chǎng)

該術(shù)語(yǔ)描述了在沒(méi)有反射的理想自由空間中的聲音傳播。這些條件在露天環(huán)境中（足夠遠(yuǎn)離地面）或在消聲室中發(fā)生，在消聲室中，所有撞擊墻壁的聲音都被吸收了。自由場(chǎng)傳播的特征是，每次到聲源的距離加倍時(shí)，聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)（沿聲傳播方向）下降6 dB。這只是平方反比定律的陳述。聲壓和聲強(qiáng)（僅幅度）之間的關(guān)系也是已知的。它提供了一種找到聲功率的方法，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3744、3745和3746中對(duì)此進(jìn)行了描述。



擴(kuò)散場(chǎng)

在擴(kuò)散場(chǎng)中，聲音被反射了很多次，以至于它在各個(gè)方向上以相同的幅度和概率傳播。該聲場(chǎng)是在混響室中近似得出的。盡管凈聲強(qiáng)為零，但是存在一個(gè)理論關(guān)系，該關(guān)系將房間中的壓力與單側(cè)聲強(qiáng)Ix關(guān)聯(lián)起來(lái)。這是一個(gè)方向上的聲強(qiáng)，忽略了相等且相反的分量。單側(cè)聲強(qiáng)無(wú)法通過(guò)聲強(qiáng)分析儀進(jìn)行測(cè)量，但它仍然是一個(gè)有用的量：通過(guò)測(cè)量聲壓，我們可以使用聲壓與單側(cè)聲強(qiáng)之間的關(guān)系來(lái)找到聲功率。ISO 3741、3743和3747中對(duì)此進(jìn)行了描述。



主動(dòng)和被動(dòng)聲場(chǎng)

聲音傳播涉及能量流，但是即使沒(méi)有傳播也仍然存在聲壓。有功聲場(chǎng)是有能量流動(dòng)的聲場(chǎng)。在純粹的無(wú)功聲場(chǎng)中，沒(méi)有能量流動(dòng)。在任何時(shí)刻，能量都可能向外傳播，但始終會(huì)在以后的瞬間返回。能量就像在彈簧中一樣被存儲(chǔ)。因此，凈強(qiáng)度為零。通常，聲場(chǎng)將同時(shí)具有有功和無(wú)功分量。由于無(wú)功部分與輻射的功率無(wú)關(guān)，因此在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)聲功率的聲壓測(cè)量（定義不明確）可能是不可靠的。但是，我們可以測(cè)量聲強(qiáng)。由于聲強(qiáng)描述了能量流，因此該場(chǎng)的無(wú)功分量不會(huì)有任何貢獻(xiàn)。下面是無(wú)功聲場(chǎng)的兩個(gè)例子。

管道中的駐波

想象一下，一個(gè)活塞在管的一端激發(fā)空氣；在另一端，有一個(gè)終端使聲波被反射。前進(jìn)波和反射波的組合會(huì)產(chǎn)生壓力最大值和最小值的模式，這些模式會(huì)沿著管道以固定的距離發(fā)生。如果終端完全是剛性的，則所有能量都會(huì)被反射，并且凈強(qiáng)度為零。使用吸收性端接時(shí)，將測(cè)量一些強(qiáng)度。駐波也以低頻出現(xiàn)在房間中。



源的近場(chǎng)

空氣非?？拷搭^，充當(dāng)存儲(chǔ)能量的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。能量循環(huán)而不傳播，其循環(huán)區(qū)域稱為近場(chǎng)。在此只能進(jìn)行用于確定聲功率的聲強(qiáng)測(cè)量。并且由于可以靠近信號(hào)源，因此提高了信噪比。

壓力和粒子速度

當(dāng)空氣粒子從其平均位置移開(kāi)時(shí)，壓力會(huì)暫時(shí)升高。壓力增加有兩種作用：將粒子恢復(fù)到其原始位置，并將擾動(dòng)傳遞給下一個(gè)粒子。壓力的增加（壓縮）和減少（反射）循環(huán)作為聲波在介質(zhì)中傳播。在此過(guò)程中，有兩個(gè)重要參數(shù)：表示壓力（相對(duì)于周圍環(huán)境局部的增加和減少）和圍繞固定位置振蕩的空氣粒子的速度。聲強(qiáng)是粒子速度和聲壓的乘積。而且，從下面的變換可以看出，它等效于前面給出的每單位面積功率定義。



在有功聲場(chǎng)中，聲壓和粒子速度會(huì)同時(shí)變化。聲壓信號(hào)中的峰值與質(zhì)點(diǎn)速度信號(hào)中的峰值同時(shí)出現(xiàn)。因此，它們被稱為同相，并且兩個(gè)信號(hào)的乘積給出凈聲強(qiáng)。在無(wú)功聲場(chǎng)中，聲壓和粒子速度相位差90°。一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)偏移了四分之一波長(zhǎng)。將兩個(gè)信號(hào)相乘得到一個(gè)瞬時(shí)強(qiáng)度信號(hào)，其正弦變化約為零。因此，時(shí)間平均強(qiáng)度為零。在擴(kuò)散場(chǎng)中，壓力和粒子速度相位是隨機(jī)變化的，因此凈強(qiáng)度為零。